Simulador de Voo de Investigação

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1 Simulador de Voo de Investigação Desenvolvimento e Integração dos Sistemas de Comando e de Visualização da Informação para os Pilotos Tiago Miguel Oliveira Freire Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Aeroespacial Júri Presidente: Prof. João Manuel Lage de Miranda Lemos Orientador: Prof. Agostinho Rui Alves da Fonseca Prof. José Raul Carreira Azinheira Vogais: Prof. Maria José Ferreira dos Santos Lopes de Resende Novembro de 2012

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3 Agradecimentos Ao Pedro Teixeira do laboratório de Tecnologias Oficinais pela assistência na construção do suporte de alguns dos equipamentos essenciais à conclusão do trabalho. Ao Pedro Fernandes colega de curso pela assistência nas operações de remodelação da cabine sem o qual o trabalho não estaria pronto a tempo. Aos pilotos José Vale, Paul Zuccarelli e Paulo Moniz pela participação nos testes de avaliação. A todos os alunos, professores, amigos e familiares que participaram na aquisição de dados anatómicos e nos testes de avaliação do simulador. Ao professor Agostinho Fonseca orientador da tese pelos conselhos cruciais no desenvolvimento do trabalho. A todos os professores e investigadores do IST cujo dedicado trabalho contribuiu para o desenvolvimento das capacidades técnicas e raciocínio crítico. Têm a minha gratidão, pois sem os quais não seria possível realizar este trabalho. i

4 Abstract: A flight simulator can be an important tool in the development of new aerospace solutions, and the development of such tool for the Instituto Superior Técnico is a valuable academic contribution. This thesis comes as a continued development on the Research Flight Simulator project (Simulador de Voo de investigação) and aims to achieve an operational status that allows for pilot in the loop tests for the first time. To achieve the proposed goals, search algorithms informed by anatomical data, were used to optimize the location of the equipment. To complement the physical instruments, virtual instruments were implemented via touchscreen with a distribution intended to mimic common practices and recommendations while at the same time adapting for resource limitations. The graphical appearance of the virtual instruments plays a significant role in the capability of the user to correctly identify the needed information, as well as it changes the expectations on how to correctly operate said instruments. Even before the simulator achieved its minimal operational status, there were already suggestions to adapt the simulator to allow for automobile simulation as well. Thus, an analysis of compatibility between aircraft and automobile simulation were conducted. Keywords: Research Flight Simulator; Search Algorithm; Anatomy; Virtual Instruments; Touchscreen ii

5 Resumo: Um simulador de voo pode ser uma ferramenta importante no desenvolvimento de novas soluções no domínio aeroespacial, como tal o desenvolvimento desta ferramenta no Instituto Superior Técnico é uma valiosa contribuição académica. Esta Tese enquadra-se no desenvolvimento do projecto do Simulador de Voo de Investigação e tem como objectivo atingir um estado de operação que permita a execução de testes com piloto pela primeira vez. Para atingir os objectivos propostos, utilizaram-se algoritmos de busca informados por dados anatómicos a fim de optimizar a localização do equipamento. Para complementar os instrumentos físicos implementaram-se instrumentos virtuais através de ecrã táctil, cuja distribuição tenta seguir as práticas comuns e recomendações ao mesmo tempo que se adapta aos recursos limitados. O aspecto gráfico dos instrumentos virtuais tem um peso significativo na capacidade do utilizador conseguir identificar correctamente a informação pretendida, como também alteram a espectativa de como operar correctamente os mesmos. Mesmo antes de o simulador atingir o estado de operação mínimo, já existiam sugestões com vista a adaptar o simulador para perfil automóvel. Deste modo foi necessário efectuar uma análise para garantir a compatibilidade entre a simulação aeronáutica e automóvel. Palavras-chave: Simulador de Voo de investigação; Algoritmo de Busca; Anatomia; Instrumentos Virtuais; Ecrã Táctil iii

6 Índice AGRADECIMENTOS... I ABSTRACT:... II RESUMO:... III LISTA DE SÍMBOLOS... VI LISTA DE ABREVIAÇÕES E ACRÓNIMOS... VII LISTA DE FIGURAS... VIII LISTA DE TABELAS...X 1 INTRODUÇÃO ENQUADRAMENTO OBJECTIVOS DO TRABALHO ESTRUTURA DA TESE AVALIAÇÃO DO ESTADO INICIAL ARQUITECTURA INICIAL ESTADO DO EQUIPAMENTO Cabine Computação Instalações AVALIAÇÃO GERAL DO SVI Gestão do SVI Desempenho do SVI PEQUENOS TRABALHOS DE RECUPERAÇÃO Cabine Computação POR FAZER ESCOLHA DE MÉTODOS E EQUIPAMENTO DE INTERFACE ESCOLHA DO MÉTODO DE APRESENTAÇÃO DE INFORMAÇÃO E CONTROLO ESCOLHA DO EQUIPAMENTO Joystick Pedais Controlo de motores Ecrã táctil INTEGRAÇÃO E OPERAÇÃO ENTRE SUBSISTEMAS GEOMETRIA DA DISPOSIÇÃO DO EQUIPAMENTO Parâmetros anatómicos Parâmetros da cabine e equipamento Considerações de ergonomia Relações geométricas Restrições de exclusão Escolha da solução Resumo do subcapítulo 4.1 e montagem do equipamento INTERFACE COM O SOFTWARE DE SIMULAÇÃO Interface entre comandos e o software iv

7 4.2.2 Integração do ecrã táctil Desenho dos instrumentos virtuais Interacção em rede Plugins AVALIAÇÃO OPERACIONAL DAS SOLUÇÕES DESENVOLVIDAS MÉTODOS E ESPECTATIVAS DA AVALIAÇÃO RESULTADOS DA AVALIAÇÃO DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS DE GESTÃO IDENTIFICAÇÃO DO EQUIPAMENTO ESTANDARDIZAÇÃO DA DOCUMENTAÇÃO CRIAÇÃO DE BASE DE DADOS AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE SIMULAÇÃO AUTOMÓVEL: INTEGRAÇÃO DO EQUIPAMENTO INTEGRAÇÃO DO SOFTWARE DE SIMULAÇÃO AVALIAÇÃO FINAL CONCLUSÃO CONCLUSÃO DO TRABALHO SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS BIBLIOGRAFIA: ANEXO A FLUXOGRAMA DO ALGORITMO DE BUSCA ANEXO B QUESTIONÁRIO DE AVALIAÇÃO v

8 Lista de Símbolos C Custo da posição dos pedais e joystick, ou matriz de vectores, e D i Dimensão do elemento anatómico i D pi, D ps, D p, D c, D om, D b, D ab, D m, D oo Dimensões dos elementos anatómicos. Ver Tabela 4.2 na página 23 D pie, D pse, D pe, D ome, D be, D abe, D me Dimensões dos elementos anatómicos. Ver nota da Tabela 4.2 D pid, D psd, D pd, D omd, D bd, D abd, D md Dimensões dos elementos anatómicos. Ver nota da Tabela 4.2 H Height, altura em pixéis de um monitor ou área de trabalho J 1, J 2, J 3, J 4, J 5, J 6, J 7, J m, J p, J o Articulações. Ver Tabela 4.2 na página 23 J 2e, J 3e, J 4e, J 6e, J 7e, J me, J pe Articulações. Ver nota da Tabela 4.2 na página 23 J 2d, J 3d, J 4d, J 6d, J 7d, J md, J pd Articulações. Ver nota da Tabela 4.2 na página 23 K i Coeficiente anatómico adimensional do elemento anatómico i P 1, P 2, P 3, P 4 Pesos genéricos dos elementos anatómicos (sensível ao contexto) P j Posição do joystick Ponto de aplicação do vector R X ( ), R Y ( ), R Z ( ) Matrizes de rotação sobre o eixo dos XX, YY e ZZ respectivamente S h Estatura, medida desde o solo até ao topo da cabeça W Width, largura em pixéis de um monitor ou área de trabalho Vector unitário colinear com o segmento de recta mais curto entre a perna e a barra de guarda do monitor Vector colinear com o segmento de recta mais curto entre a perna e a barra de guarda do monitor com coordenada Z=1 Vector Esterno-Cotovelo Vector Joelho-Pé Vector Pulso-Cotovelo Vector Pélvis-Pedal Vector correspondente à orientação da barra de guarda do monitor Vector de Pulso, vector unitário associado à mão que atravessa o rádio e a ulna quando a mão está na posição neutra α 1 Ângulo de elevação do fémur junto à pélvis α 2 Ângulo de elevação da tíbia junto ao calcanhar α 3 Ver página 34 β x, β y Deflexão do joystick sobre os eixos XX e YY respectivamente. γ Ângulo neutro do joystick θ Azimute do vector ϑ 1 Elevação actual do antebraço ϑ 2 Azimute actual do antebraço ξ Erro relativo, definição: ξ ρ Ângulo do pedal σ Ângulo entre a perna e o pé φ Elevação do vector Ângulo de deflexão radial/ulnar ω 1, ω 2, ω 3 Ver página 34 ω 4, ω 5, ω 6 Ver página 35 ω Ângulo de deflexão do ombro (sensível ao caso) vi

9 Lista de Abreviações e Acrónimos APP Approach APU Auxiliary Power Unit, Unidade de Energia Auxiliar AR Aspect Ratio, Razão de Aspecto (do monitor) ATC Air Traffic Control ATHR Auto-Throttle BC Back Course CRS Course DH Decision Height dll dynamic-link library EASA European Aviation Safety Agency EFIS Electronic Flight Instrument System FAA Federal Aviation Administration FLCH Flight Level Change FMS Flight Management System GAMA General Aviation Manufacturers Association GPWS Ground Proximity Warning System G/S Glide Slope HDG Heading HIS Horizontal Situation Indicator ICAO International Civil Aviation Organization ILS Instrument Landing System IOS Instructor Operating Station IP Internet Protocol, utilizado no contexto da identificação do número do endereço de rede LNAV Lateral Navigation LOC Localizer Mb/s Mega bits por segundo NDB Non-Directional Beacon PNG Portable Network Graphics, formato de imagem px Pixel, unidade de medida SDK Software Development Kit SO Sistema Operativo SVI Simulador de Voo de Investigação TCAS Traffic Collision Advisory System VHF Very High Frequency VNAV Vertical Navigation VOR VHF Omnidirectional Range V/S Vertical Speed vii

10 Lista de Figuras FIGURA 2.1 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE LIGAÇÃO DOS COMPONENTES FÍSICOS... 4 FIGURA 2.2 DIAGRAMA DO FLUXO DE INFORMAÇÃO... 4 FIGURA 2.3 INTERRUPTOR NA POSIÇÃO NORMAL... 5 FIGURA 2.4 INTERRUPTOR QUANDO EMPURRADO... 5 FIGURA 2.5 DETALHE DA REPARAÇÃO DO BLOQUEAMENTO RECORRENTE... 7 FIGURA 2.6 CABINE NO SVI... 7 FIGURA 2.7 FOKKER FIGURA 2.8 FOKKER FIGURA 2.9 FOKKER FIGURA 3.1 COCKPIT BOEING 747 COM MANCHE... 9 FIGURA 3.2 COCKPIT AIRBUS A320 COM JOYSTICK... 9 FIGURA 3.3 JOYSTICK DO A FIGURA 3.4 EIXOS PRINCIPAIS DO JOYSTICK FIGURA 3.5 LIMITES DE ACESSIBILIDADE DESEJADA (COM EIXOS DE 1BYTE) FIGURA 3.6 POSSÍVEL LIMITE DE ACESSIBILIDADE DE JOYSTICKS NO MERCADO (COM EIXOS DE 1 BYTE) FIGURA 3.7 PEDAIS DO A FIGURA 3.8 EXEMPLOS DE CONTROLOS DE MOTORES, A320 À ESQUERDA, B737 AO CENTRO E B747 À DIREITA FIGURA 4.1 NOMENCLATURA DOS DIFERENTES OSSOS DO CORPO HUMANO FIGURA 4.2 MODELO DO ESQUELETO HUMANO FIGURA 4.3 SISTEMA DE COORDENADAS DO PILOTO FIGURA 4.4 MEDIDAS IMPORTANTES DOS PEDAIS FIGURA 4.5 ÂNGULO NEUTRO DO JOYSTICK FIGURA 4.6 ESQUEMA MECÂNICO PARA A PERNA INFERIOR, PROJECÇÃO LATERAL SOBRE A SUPERFÍCIE XZ FIGURA 4.7 ESQUEMA MECÂNICO EQUIVALENTE CONSIDERANDO AMBAS AS PERNAS INFERIORES FIGURA 4.8 ESQUEMA MECÂNICO EQUIVALENTE CONSIDERANDO AMBAS AS PERNAS MAIS A MOLA DO PEDAL FIGURA 4.9 RECOMENDAÇÃO PARA TRABALHO DE PRECISÃO À ESQUERDA, PARA EXERCER ESFORÇO À DIREITA FIGURA 4.10 ESQUEMA MECÂNICO PARA O MEMBRO SUPERIOR, VISTA LATERAL FIGURA 4.11 ESQUEMA MECÂNICO DO MEMBRO SUPERIOR COM APOIO DO COTOVELO FIGURA 4.12 ESQUEMA MECÂNICO PARA O MEMBRO SUPERIOR COM APOIO DO BRAÇO E MOLAS (VISTA SUPERIOR) FIGURA 4.13 ESQUEMA DAS RELAÇÕES GEOMÉTRICAS DOS MEMBROS INFERIORES VISTA DE CIMA FIGURA 4.14 ESQUEMA DAS RELAÇÕES GEOMÉTRICAS DOS MEMBROS INFERIORES VISTA LATERAL FIGURA 4.15 TRIÂNGULO AUXILIAR À DEMONSTRAÇÃO DO PROBLEMA DO JOELHO FIGURA 4.16 DIAGRAMA EXAGERADO DOS LIMITES DO OMBRO FIGURA 4.17 RELAÇÃO ENTRE OS ÂNGULOS Α 2, Ρ E Σ FIGURA 4.18 RELAÇÃO ENTRE A MÃO E VECTOR DE PULSO FIGURA 4.19 FIXAÇÃO DOS SUPORTES DO MONITOR FIGURA 4.20 SUPORTE DO ECRÃ CENTRAL FIGURA 4.21 DETALHE DA FIXAÇÃO UNIVERSAL FIGURA 4.22 MONITORES MONTADOS FIGURA 4.23 SUPORTE DOS PEDAIS (ANTES E DEPOIS DA PINTURA) FIGURA 4.24 SUPORTE DO JOYSTICK (ANTES E DEPOIS DA PINTURA) FIGURA 4.25 MARCAÇÃO DAS REGULAÇÕES POSSÍVEIS DA CADEIRA FIGURA 4.26 RÉGUA DE PAREDE COM AS REGULAÇÕES ÓPTIMAS EM FUNÇÃO DA ESTATURA FIGURA 4.27 MESA DE TESTE DO JOYSTICK FIGURA 4.28 MESA DE TESTE DOS PEDAIS FIGURA 4.29 MEDIÇÃO DA PARALAXE (VISTO DA ESQUERDA, FRENTE E DIREITA) FIGURA 4.30 IMAGEM MAPEADA NO ESPAÇO VIRTUAL DA ÁREA DE TRABALHO FIGURA 4.31 FIGURA 4.30 MAPEADA NO MONITOR viii

11 FIGURA 4.32 FIGURA 4.30 MAPEADA NO MONITOR FIGURA 4.33 DEMONSTRAÇÃO DO PAINEL COM RAZÃO DE ASPECTO IGUAL AO DA ÁREA DE TRABALHO FIGURA 4.34 DEMONSTRAÇÃO DO PAINEL COM RAZÃO DE ASPECTO INFERIOR AO DA ÁREA DE TRABALHO FIGURA 4.35 MARCAÇÃO DO PAINEL FIGURA 4.36 ÁREA DE ACÇÃO DO BOTÃO ROTATIVO FIGURA 4.37 INTERRUPTOR BINÁRIO ANTES E DEPOIS DA MODIFICAÇÃO FIGURA 4.38 CONSTITUIÇÃO DA TEXTURA BUT_AVIONICS 1.PNG FIGURA 4.39 REÓSTATO LINEAR, ANTES E DEPOIS DA MODIFICAÇÃO FIGURA 4.40 MENU KEY FRAMES FIGURA 4.41 IGNIÇÃO DA APU ANTES E DEPOIS FIGURA 4.42 TRANSFORMAÇÃO DE O REÓSTATO NO SELECTOR DE ESTADO FIGURA 4.43 DEFINIÇÃO DO CAMPO DE VISÃO PRIMÁRIO FIGURA 4.44 BOEING FIGURA 4.45 BOEING FIGURA 4.46 AIRBUS FIGURA 4.47 AIRBUS FIGURA 4.48 ILYUSHIN FIGURA 4.49 FOKKER FIGURA 4.50 DESENHO ACTUAL DO PAINEL FIGURA 4.51 DETALHE DO PAINEL FRONTAL FIGURA 4.52 DETALHE DO PAINEL CENTRAL FIGURA 4.53 NOVO MODELO DE INTERRUPTOR MECÂNICO FIGURA 4.54 DETALHE DA SEGUNDA VERSÃO DO PAINEL FRONTAL FIGURA 4.55 DETALHE DA SEGUNDA VERSÃO DO PAINEL CENTRAL FIGURA 4.56 ASPECTO VISUAL DE UM ESTADO VISTO DO PC FIGURA 4.57 O MESMO ESTADO QUE O DA FIGURA 4.56 VISTA DO PC FIGURA 5.1 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE LIGAÇÃO DOS COMPONENTES FÍSICOS FIGURA 5.2 DIAGRAMA DO FLUXO DE INFORMAÇÃO FIGURA 5.3 CORRELAÇÃO ENTRE ESTATURA E AVALIAÇÃO DA POSIÇÃO DO JOYSTICK FIGURA 5.4 CORRELAÇÃO ENTRE ESTATURA E A AVALIAÇÃO DA POSIÇÃO DOS PEDAIS FIGURA 5.5 DIAGRAMA DO MOVIMENTO DA AERONAVE COM A DEFLEXÃO DOS CONTROLOS FIGURA 7.1 COMPARAÇÃO ENTRE A ALTURA DO PÓRTICO E A ALTURA DO PROJECTOR FIGURA 7.2 DIMENSÕES DA CABINE FIGURA 7.3 LARGURA DA PASSAGEM PARA O LABORATÓRIO DE ENGENHARIA AEROESPACIAL FIGURA 7.4 SITUAÇÃO TÍPICA DO TERRENO ix

12 Lista de Tabelas TABELA 3.1 LISTA DE JOYSTICKS VÁLIDOS NO MERCADO TABELA 3.2 LISTA DE PEDAIS VÁLIDOS NO MERCADO, PARTE TABELA 3.3 LISTA DE PEDAIS VÁLIDOS NO MERCADO, PARTE TABELA 3.4 LISTA DE PEDAIS VÁLIDOS NO MERCADO, PARTE TABELA 3.5 LISTA DE CONTROLOS DE MOTORES VÁLIDOS, PARTE TABELA 3.6 LISTA DE CONTROLOS DE MOTORES VÁLIDOS, PARTE TABELA 3.7 LISTA DE CONTROLOS DE MOTORES VÁLIDOS, PARTE TABELA 4.1 REPRESENTAÇÃO DOS TIPOS DE ARTICULAÇÃO DO CORPO HUMANO TABELA 4.2 LEGENDA DA FIGURA TABELA 4.3 COEFICIENTES ANATÓMICOS TABELA 4.4 PRINCIPAIS LIMITES DAS ARTICULAÇÕES TABELA 4.5 REGULAÇÕES POSSÍVEIS DA CADEIRA NA COORDENADA X E Z TABELA 4.6 REGULAÇÃO PARA A ALTERNATIVA DO JOYSTICK AJUSTÁVEL TABELA 4.7 RESULTADOS DO ALGORITMO DE BUSCA TABELA 4.8 REGULAÇÕES ÓPTIMAS DO JOYSTICK E DA CADEIRA PARA DIFERENTES ESTATURAS TABELA 4.9 ATRIBUIÇÃO ACTUAL DAS FUNÇÕES AOS EIXOS x

13 1 Introdução 1.1 Enquadramento O Simulador de Voo de Investigação (SVI) é um projecto do Instituto Superior Técnico (IST) sugerido como Tese de Mestrado Integrado a um grupo de alunos de Engenharia Aeroespacial. O simulador está a ser desenvolvido de raiz nas instalações do Pavilhão de Mecânica III do IST e o seu desenvolvimento está distribuído em várias áreas distintas, também conhecidas como módulos do simulador. Actualmente, o SVI já foi alvo de estudo de quatro dissertações de mestrado [1], [2], [3] e [4] e outros 2 trabalhos desenvolvidos em paralelo (incluindo este) de implementação de novos módulos. No entanto a integração dos trabalhos desenvolvidos anteriormente não é harmoniosa, e ainda necessita de um extenso trabalho para colocar o SVI operacional. 1.2 Objectivos do trabalho O SVI encontra-se numa fase inicial de desenvolvimento, e dentro dos recursos disponíveis, está ser estruturado sobre o princípio da modularidade e flexibilidade, permitindo que futuramente sejam desenvolvidos melhoramentos e actualizações de forma fácil e independente. Para além da vertente de engenharia de investigação associada a este simulador, também se pretende que este contribua para a formação de alunos de Engenharia Aeroespacial do IST, consolidando e desenvolvendo os conhecimentos adquiridos de uma forma prática e motivadora. O principal objectivo deste trabalho é avaliar, desenvolver e integrar módulos essenciais à execução de testes com piloto, que por sua vez permite uma avaliação prática das soluções adoptadas até agora. Em particular este trabalho tem como objectivos: Desenvolvimento da interface com o piloto, planeamento, implementação e avaliação dos controlos e indicadores: o Controlo de atitude o Controlo de potência o Outros controlos o Indicadores Manutenção dos recursos do SVI: o Recuperação da cabine o Recuperação das instalações o Recuperação das ferramentas digitais Desenvolvimento de práticas de trabalho e gestão do SVI. o Gestão da documentação o Gestão de recursos Avaliação da capacidade de simulação automóvel 1

14 1.3 Estrutura da tese A presente dissertação encontra-se estruturada em 8 capítulos. O capítulo 2 descreve o contexto no início do trabalho, a avaliação de problemas e áreas a melhorar que serviram de guia a este trabalho. O capítulo 3 descreve a motivação de algumas filosofias de trabalho adoptadas, e a análise e comparação do equipamento existente no mercado face às necessidades do simulador. O capítulo 4 é bastante extenso e cobre tudo o que está relacionado com a integração do equipamento e métodos adoptados para cumprir com as necessidades do simulador, desde a pesquisa da posição óptima do equipamento (tendo em conta modelos anatómicos e algumas considerações de ergonomia) (subcapítulo 4.1) até à interface entre hardware, software e piloto (subcapítulo 4.2). O capítulo 5 sumariza o processo de validação das soluções adoptadas e pretende pela primeira vez obter dados práticos em soluções desenvolvidas no SVI. O capítulo 6 abrange algumas práticas tomadas relativamente à gestão do SVI e pretende servir de motivação para que trabalhos posteriores tomem mais atenção ao futuro do projecto e questões práticas sobre como tornar o SVI útil. O capítulo 6 é um estudo preliminar sobre uma futura possibilidade de expansão do SVI para simulação automóvel (com utilidade para o projecto Formula Student). O capítulo 8 tira algumas conclusões do que se atingiu com a realização deste trabalho e propõe trabalhos futuros. 2

15 2 Avaliação do Estado Inicial A avaliação do estado actual do SVI de uma forma global ajuda a compreender a extensão do trabalho realizado até agora, assim como ajuda a identificar as áreas de desenvolvimento importantes. A análise dos elementos praticada neste trabalho é feita de uma forma qualitativa e baseia-se principalmente na documentação até agora produzida e na experiência directa com a operação do equipamento e instalações. Embora exista o interesse em detalhar todos os pormenores, esta análise não é exaustiva e podem existir detalhes menos importantes não mencionados neste documento. 2.1 Arquitectura Inicial No início deste trabalho o SVI era composto por uma cabine de um Fokker 27 (ver subcapítulo 2.4.1) montada sobre uma plataforma de Stewart (plataforma de movimento), 4 computadores (3 monitores), um HUB de Ethernet e um Joystick (não apropriado à utilização no SVI). Para distinguirmos os computadores neste documento, estes estão identificados como PC1, PC2, PC3 e PC4 respectivamente. Cada um dos computadores tem as seguintes especificações: PC1 o SO: Windows XP SP2 o IP: o Portas utilizadas: Nenhuma o Envio de dados para outros computadores: :49000 Dados do movimento X-Plane Matlab PC2 o SO: Windows XP SP2 o IP: o Portas utilizadas: :49000 Dados do movimento X-Plane Matlab o Envio de dados para outros computadores: :991 Difusão do controlo da plataforma PC3 o SO: Datalight Rom-DOS 6.22 o IP: o Portas utilizadas: :991 Recolhe dados do controlo da plataforma o Envio de dados para outros computadores: Nenhum PC4 o SO: Windows XP SP2 o IP: Não utilizado O modo de funcionamento do equipamento processa-se segundo os diagramas da Figura 2.1 e Figura 2.2 3

16 Figura 2.2 Diagrama do fluxo de informação Figura 2.1 Diagrama simplificado de ligação dos componentes físicos 2.2 Estado do equipamento Para facilitar a análise dividiram-se as situações em 3 categorias, situaçõess relacionadas com a cabine, situaçõess relacionadas com computadores e situações relacionadas com as instalações Cabine Originalmente foram detectadas na cabine as seguintes situações: Sujidade acumulada em todass as superfícies Cadeiras bloqueadas, inoperacionais e com falta de alguns apoios para braços Não existem cintos de segurança Não existe equipamento electrónico operacional Painéis-para-mostradores recortados e inutilizáveis Pedais de controloo do rudder danificados e com electrónica obsoleta Chão retalhado por remendos Faltam painéis no tecto e nas paredes da cabine Falta a cobertura da coluna central e respectivo equipamento Janelas do cockpit bloqueadass por peças na cabine Diverso material electrónico (ventiladores, colunas dee som e lâmpadas fluorescentes) instalado mas não funcional Porta da cabine ocasionalme ente se abre durante a operação devido à falta de um mecanismo de fecho adequado Computação Foram detectadas as seguintes situações no equipamento de computaçãoc : Todos os computadores, à excepção do PC3, com vírus informático Os controladores de hardwaree não estão instalados i noo PC2 e PC4. O PC1 não tem os componentes gráficos completos Não existe uniformidade de sistemas entree computadores Programa de controlo da plataforma de movimento é baseado em Matlab (não aproveita os recursos da máquina e não permite arranque automático) O PC4 tem a fonte de alimentação solta 4

17 2.2.3 Instalações Foram detectadas as seguintes situações nas instalações: Sujidade acumulada Estão acumulados vários equipamentos obsoletos, peças soltas e documentação não utilizável Ocasionalmente ao ligar a caixa eléctrica que alimenta a plataforma de movimento faz actuar o disjuntor diferencial A caixa eléctrica não tem o botão devidamente fixo (ver Figura 2.3 e Figura 2.4) As instalações estão subequipadas de ferramentas Figura 2.3 Interruptor na posição normal Figura 2.4 Interruptor quando empurrado 2.3 Avaliação geral do SVI A avaliação geral aborda tópicos que não estão directamente relacionados com os equipamentos mas sim com a utilização destes, e como estes recursos se relacionam entre si para formarem o SVI Gestão do SVI As seguintes situações de gestão foram identificadas: Não existem manuais ou esquemas detalhando o estado actual do SVI. A única literatura existentee está espalhada pelas dissertações anteriores. Não existe uma colecção completa do trabalho digital feito até agora, ou plano de contingência. Caso exista uma avaria grave, não será possível recuperar o trabalho efectuado até agora. Actualmente não existe um método de identificação dos vários componentes do simulador Não existem convenções de trabalho. Não existem planos ou objectivos a curto ou a longo prazo O processo de aquisição dee equipamento é lento e afecta o desenvolvimento do trabalho Desempenho do SVI Em geral, as soluções até agora implementadas parecem funcionar, no entanto, o modo de funcionamento não é o mais eficiente. As seguintes situações foram identificadas: O controlo da plataforma dee movimentoo está implementado emm Matlab. Embora o Matlab seja uma ferramenta matemática útil para desenvolver soluções de forma fácil e rápida, as soluções em si nãoo são rápidas nem usamm eficientemente os recursos da máquina devido à execução complexa deste software. Desta forma, este computador só pode estar dedicado a esta função sem a possibilidade de poder partilhar o processador com uma rotina mais leve. 5

18 O Software de controlo da plataforma de movimento está a enviar a informação para a plataforma em modo de difusão em vez de emitir directamente no canal correcto, o que ocupa de forma desnecessária canais de comunicação, assim como diminui a banda disponível. O Software de controlo da plataforma de movimento tem movimentos bruscos ao iniciar, os indicadores não funcionam correctamente, e não permite restabelecer o contacto com a plataforma de movimento após a primeira utilização. Tanto para o PC1 como para o PC2, os softwares têm de ser iniciados e configurados manualmente cada vez que se inicia uma sessão. Embora o software de simulação no PC1 possa ser facilmente configurado para uma iniciação automática, devido à implementação de soluções em Matlab o mesmo já não é possível para o PC2. Actualmente, ainda é um processo simples iniciar os computadores manualmente, contudo, com a implementação de mais computadores este processo pode tornar-se demasiado tedioso para ser prático, pelo que a adopção de soluções automáticas desde início pode reduzir a carga de trabalho no futuro. O software de simulação adoptado tem falhas graves no que consta à utilidade no SVI, como por exemplo a não implementação da colisão com edifícios e obstáculos, a aeronave simplesmente atravessa-os como se não existissem. Embora seja possível adicionar componentes e recursos que interagem com o X-Plane noutros computadores, este programa tem um processamento nuclear, o que compromete o princípio de modularidade. O gestor de projecto deverá no futuro tomar a decisão de manter este software, ou substituir por outro (ou até mesmo, desenvolver um de raiz). A vantagem em manter o X-Plane é que permite ter o equipamento a funcionar agora com a implementação de um vasto leque de detalhes técnicos com o custo de ter um desenvolvimento quase estagnante. Criar um software de raiz vai requerer muito trabalho até chegar a uma versão minimalista de qualidade inferior ao X-Plane mas com capacidade de se tornar superior no futuro. O X-Plane não foi feito num ano e necessitou da contribuição de uma vasta equipa de programadores e designers para chegar onde está, um programa de raiz a ser feito no SVI, muito provavelmente começará com um aluno com pouca experiência em programação e conhecimentos insuficientes de todos os problemas da aviação. Alguns recursos necessários para desenvolver soluções mais avançadas para o X-Plane estão em risco de desaparecer permanentemente da página da internet oficial do X-Plane, pelo que, existe uma necessidade urgente de os resgatar. Estando ainda numa fase inicial do desenvolvimento, ainda é relativamente fácil de recuperar más práticas da utilização de recursos. 2.4 Pequenos trabalhos de recuperação Nesta lista de acções tomadas constam apenas pequenos trabalhos realizados, que não estando detalhados neste documento em pormenor técnico, existe o interesse em os referir. As restantes soluções têm capítulos próprios Cabine Efectuou-se uma limpeza simples da cabine As cadeiras foram desbloqueadas. O problema do bloqueamento recorrente da cadeira devia-se a um dano nas peças que regulavam a posição do guia do carril. Como as peças podiam baloiçar livremente, estes ocasionalmente ficam entalados no carril não permitindo que este escorregasse. O objectivo desta regulação é desconhecido, no entanto, analisando o estado actual esta regulação não parece desempenhar qualquer função útil. Sendo assim, a cadeira foi reparada através da introdução de um parafuso de forma a bloquear a guia do carril na posição correcta de forma permanente (Figura 2.5) 6

19 Figura 2.5 Detalhe da reparação do bloqueamento recorrentee Painéis, pedais, e electrónica obsoleta foram removidos Tem existido alguma confusão relativamente ao modelo da cabine da aeronave utilizada. Enquanto umas fontes sugerem que é uma cabine de um Fokker 27 [1] outras sugerem que é uma cabine de um Fo[k]ker 28 [4]. Como ambos não podemm estar correctos é necessário estabelecer esta questão. Começando por compara a cabine presente no SVI com as cabines do Fokker 27, 28 e 50. Figura 2.6 Cabine no SVI Figura Fokker 27 Figura 2.8 Fokker 28 Figura 2.9 Fokker 50 Tomando em atenção às características das janelas, pode-se facilmentee excluir o Fokker 28 comoo candidato, repare que o Fokker 28 tem o pára-brisas intermédio de dimensão média e o lateral pequeno, enquanto a cabine no SVI tem o pára-brisas intermédio pequeno e o lateral l de tamanho médio. Repare também na janela sobre o tecto do Fokker 28 quee não se encontra na cabine do SVI. Olhando agoraa para o Fokker 27 e o 50, reparamos que o desenho é idêntico ao da cabine do SVI, é difícil distinguir entre as duas aeronaves visto que o Fokker 50 é baseado no modelo 27, no entanto, existe uma pequena diferença na posição dos tubos de pitot que os permite distinguir, enquanto o modelo 50 tem-nos no lado esquerdo o 27 tem-nos no lado direito. Embora os tubos de pitot já não existam na cabine no SVI, esta parece ainda conter os orifícioss onde estes estariam inseridos assim como a mangueira no interior do lado direito e não do lado esquerdo, o que corrobora a versão que de facto a cabine pertenceu a um Fokker 27. É provável que esta confusão tenhaa surgido devido à existência de alguma documentação espalhada pelas instalações numa língua estrangeira (que suponho ser Holandês) que menciona o 7

20 Fokker 28, como não se percebe o que está escrito na documentação é possível que autor equivocado tenha assumido que este mencionava o modelo da cabine e não algo completamente diferente. É óbvio olhando para o interior da cabine que o seu conteúdo foi modificado, é provável que tenha recebido alguns componentes originalmente pertencentes a um Fokker 28 (dai a documentação mencionar o Fokker 28) Computação Todos os computadores foram limpos de vírus Foi instalado um antivírus em todos os computadores (para remover no futuro) Função de arranque automático (Autoplay) de discos externos foi desactivada (prevenindo instalação automática de software malicioso através de discos infectados) Sistemas operativos Windows XP SP2 foram actualizados para o Windows XP SP3 Uma ferramenta de remoção forçada de ficheiros protegidos foi instalada (permite remover vírus mais sofisticados). Os controladores gráficos foram instalados. Nota: a versão mais recente dos controladores gráficos não funciona correctamente, os controladores gráficos que vem com o software Catalyst v6.12 são os indicados (NÃO ACTUALIZAR PARA NENHUMA VERSÃO ACIMA DESTA) Os recursos voláteis do software de simulação foram resgatados da internet foram guardados num disco. Ver subcapítulo para uma abordagem mais detalhada destes recursos. O PC4 passou a ser utilizado para projecção da imagem exterior (sob análise de um trabalho actualmente a ser desenvolvido em paralelo) 2.5 Por fazer Remover todo o equipamento obsoleto das instalações Reparar o botão do quadro eléctrico Reparar a fixação da fonte do PC4 Equipar as instalações com ferramenta própria Produção de manuais e esquemas de todo o equipamento (ver capítulo 6) Identificar todo o equipamento no SVI (ver capítulo 6) Reprogramar o controlo da plataforma de movimento em C/C++, alterar a comunicação de rede do modo difusão para comunicação directa Reparar filtro para suavizar iniciações bruscas no início da comunicação 8

21 3 Escolha de Métodos e Equipamento de interface Tendo o SVI como objectivo dispor de um equipamento de simulação em tempo real com interacção de um piloto, e estando inicialmente desprovido de sistemas de interface com o piloto, é naturalmente necessário colmatar esta falta de equipamento. Este trabalho só aborda os dispositivos de comando (joystick, pedais, controlo de potencia, etc.) e dispositivos de retorno de informação para o piloto (indicadores). Antes de proceder à aquisição, é importante identificar as necessidades do simulador e escolher que métodos a utilizar como interface. 3.1 Escolha do método de apresentação de informação e controlo Após uma análise do equipamento no mercado, existiam duas filosofias de trabalho, uma tinha como objectivo aumentar a sensação de realismo implementando equipamentos físicos à custa de um elevado preço e menor versatilidade, a segunda tinha como objectivo aumentar a versatilidade e reduzir o preço através da implementação de dispositivos virtuais à custa da sensação de realismo. Tendo o SVI como objectivo o teste de vários ambientes e situações (sem a necessidade de simular um aeronave específica), a falta de versatilidade do equipamento físico juntamente com o seu elevado valor monetário (o que dificulta futuras remodelações) seria uma limitação grave à utilidade do equipamento, pelo que, num futuro próximo não compensa o potencial ganho em realismo. No entanto, nem todo o equipamento deve ser virtualizado, enquanto indicadores e botões binários ou de pressão podem continuar a ser operados de forma natural se estes forem implementados em ecrãs sensíveis ao toque (ecrã táctil), equipamentos que requerem um manuseamento preciso e regular diferentes de um simples toque (como por exemplo a manche) que, dificilmente podem ser operados de forma correcta ou intuitiva através de ecrã táctil. Portanto, os pedais de comando do rudder, o joystick/manche para o controlo dos ailerons e elevator, e os controlos de potência dos motores devem ser implementados fisicamente, enquanto o restante equipamento será implementado virtualmente em ecrã táctil. Para o comando dos ailerons e elevator, existem dois tipos de equipamento distintos que se podem adquirir comercialmente, um deles é a tradicional manche como por exemplo é utilizado no Boeing 747, o outro é o joystick como por exemplo é utilizado no Airbus A320. Figura 3.1 Cockpit Boeing 747 com manche Figura 3.2 Cockpit Airbus A320 com joystick Manche o Vantagens: Pode ser operado com ambas as mãos em conjunto ou individualmente Operação mais precisa Tradicionalmente mais utilizado o Desvantagens: Encontra-se à frente do painel frontal obstruindo a visualização deste Equipamento geralmente mais caro de adquirir 9

22 Joystick o Vantagens: Não obstrói o painel frontal Se instalado correctamente pode ser menos cansativo de operar Mais barato de adquirir no mercado o Desvantagens: É operável apenas com uma mão De entre as vantagens e as desvantagens listadas, foi dada mais importância à obstrução do painel frontal devido ao espaço limitado da cabine (e as soluções oferecidas no mercado são geralmente demasiado volumosas para conjugar com um ecrã táctil) e ao preço de aquisição por motivos óbvios (o preço de aquisição de joystick é geralmente mais barato devido à sua simplicidade e mercado de videojogos). Relativamente à relação cansaço/precisão, seria necessário fazer um estudo detalhado da experiência de vários pilotos e arranjar um modelo quantitativo que relacione a preferência entre precisão e descanso. Esta problemática em si merece um estudo mais aprofundado do aquele que é descrito neste trabalho, no entanto ambas as soluções são implementadas com sucesso comercialmente, o que sugere não ser um detalhe crítico para a implementação de uma solução inicial. Não existe nenhuma limitação no futuro em adoptar uma solução mista com joystick e manche, em que nas condições apropriadas se use só o joystick ou só o manche. Nestas condições e como solução preliminar, o joystick será a solução adoptada. 3.2 Escolha do equipamento Para escolher o equipamento não foram utilizadas métricas quantitativas mas sim uma comparação qualitativa. Na minha opinião, não é apropriado atribuir um valor subjectivo a propriedades distintas incomparáveis, certos equipamentos destacam-se em algumas características enquanto outros destacam-se noutras. Dada a quantidade de elementos qualitativos, corre-se o risco na atribuição de uma pontuação subjectiva de perder a perspectiva da qualidade real do equipamento e escolher um equipamento de qualidade inferior ao ideal a um preço superior. Contudo, dado que se pretende escolher apenas um item da lista, não existe problema em comparar qualitativamente dois equipamentos distintos e determinar através dessas qualidades qual é o melhor equipamento. Se o equipamento A é melhor que B e B é melhor que C, então A é melhor que C Joystick O joystick tem como objectivo controlar a atitude da aeronave, normalmente o ângulo de rolamento e elevação através da operação dos ailerons e elevator respectivamente. Mas, antes de fazer a aquisição do joystick é necessário saber aquilo que se procura num joystick. O joystick é uma manete vertical de operação contínua tipicamente com 2 graus de liberdade (podem existir mais). 10

23 Figura 3.4 Eixos principais do Joystick Figura 3.3 Joystick do A320 Os joysticks (e outros controlos) podemm ter os seguintes elementos operacionais: 1. Botões são elementos de pressão que enviam informação booleana (pressionado não pressionado) que retornam a um estado pré-definido depois de operado (não pressionado) 2. Interruptores os interruptores enviam informação booleana, mass ao contrário de um botão, este não retorna a um estado pré-definido (preserva o estado) 3. POV Pad/Hat-Switch são conjuntos de botões interligados por um dispositivo que os impedem de serem todos operados em simultâneo. O pad e o Hat-Switch diferem apenas na forma como esta limitação é implementada. 4. Eixos são elementos de operação contínua, tipicamente um eixo tem 1byte (8 bits) para caracterizar o seu estado, mas este número pode variar paraa cima ou para baixo conforme a qualidade do joystick (ou comando). Cadaa grau de liberdade da manete é um eixo (designados por eixoss principais), quando a manete m está centrada (ponto onde o eixo naturalmente se encontra sem esforço, ponto neutro) estee está no nível acima mais próximo da metade do nível máximo. Por exemplo, num eixoo com níveis entre 0 e 255 o ponto ao centro seria o 127,5 (i.e. 128 níveis para baixo e 128 níveis para cima), no entanto não existe o nível 127,5, pelo que num eixo com 1byte, o ponto neutro encontra-se tipicamente no nível 128 (i.e. 128 níveis para baixo e 127 para cima). Podem existir outros eixos no joystick para além dos principaiss independentemente destess terem a possibilidade (ou não) de retornar a umm estado pré-definido. contínuaa sem limitações de 5. Eixos diferenciais/rodas são elemento de variação movimento, envia apenas informação da sua variação em vez da posição absoluta. 6. Botões de modo são botõess que alteram o comportamento do dispositivo, e que ao contrário dos botões normais, não enviam a informação do seu estado para o computador e podem ter mais do que 2 estados internos. Para a aplicação no SVI consideraram-se as seguintes características como indispensáveis: Manete com os 2 eixos principais independentes A relação r dos eixos do joystick está interligada com a interpretação que se dá ao seu movimento. m Na aviação, quando deslocar o joystick no eixo doss YY tipicamente o que pretende p controlar é a deflexão do elevator enquanto com um movimento em X o que se s pretende é deflectir o aileron. Caso queira deflectir tanto o aileron como o elevator, aplica-se uma combinação de movimentos em X e em Y. O que não se pretende é que q a deflexão do aileron interfira com a deflexão do elevator ouu vice-versa. Contudo, uma u grande parte do mercado de joysticks é influenciada pelaa indústria dos vídeo jogos que nem sempre estão relacionados com a aviação. Em certos videojogos a deflexão do joystick está relacionada com a deslocaçãoo de um actor (elemento da acção) num plano, no qual os movimentos diagonais não devem ser acompanhados de deslocações a velocidades superiores àquelas que se atingem em deslocações apenas a na vertical ou apenas na horizontal. Devido a este problema, certos joysticks são limitados circularmente em 11

24 torno do ponto neutro, não permitindo por exemplo o acesso ao nível (X;Y) (255;255)( para eixos com 1byte. Este é um caso que não convém, pois issoo implica que não se consegue operar o aileron e o elevator de forma independente ao mesmo tempo. Figura 3.5 Limites de acessibilidade desejada (com eixos de 1byte) Figura 3.6 Possível limite de acessibilidade de joysticks no mercado (com eixos de 1 byte) Desenho ambidestro Devido à necessidade de operar o tantoo o joystick como o controlo de potência dos motores, o joystick terá obrigatoriamentee de ser operado pela mão contrária à posição do controlo dos motores. Como C o controlo dos motores é tipicamente partilhado entre o piloto e o co-piloto, este encontra-see ao centro da cabine, nesta situação o joystick deverá ser operado pela mão esquerda no caso do piloto ou pela mão direita no caso do co-piloto. Como se pretende implementar o piloto neste trabalho, o joystick tem de ser operável pela mão esquerda. Embora existam joysticks esquerdos no mercado, estess são raros, o que é mais comum encontrar são joysticks direitos ou joystick ambidestros (operáveis tanto pela mão m esquerda como pela direita) Não pode ser wireless Joysticks sem-fio são excluídos devido ao incómodo da utilização de pilhas para alimentar o joystick. Caso o joystick não respeite um destess critérios é automaticamente eliminado. De entre os modelos válidos, dá-se prioridade aos joysticks mais m confortáveis e penalizam-se os joysticks com mais de 2 eixos principais. 12

25 # Imagemm Tabelaa 3.1 Lista de joysticks válidos no mercado Fabricante Nome Eixos principais Elementos na manete CH Products FlightStick Pro 3-4 Botões - 1 Hat-Switch Saitek Aviator 3-4 Botões (1 coberto) - 1 Hat-Switch Logitech Attack Botões Outras características - USB - Plug & Play - USB - 2 Eixos adicionais - USB - 6 Botões adicionais - 2 Rodas na basee v. Xbox: - 1 Eixo adicional - Pad 2-7 Botões adicionais - Interface para auricular v. PS3: - Pad 4-5 Botões adicionais - 1 Botão de modo Observações - Separação explícita dos eixos - Embora exista uma versão Xbox e uma - Não necessita de portes de envio PS3, ambas são compatíveis comm o PC Preço [ ] 96,84 c/portes incluídos 31,90 + portes dee envio 31,,99 Prós - Fácil de adaptar - Apoioo ergonómico do - Suporte técnicoo apropriado do - Mais barato - Mais ergonómico pulso fornecedor Contras - Caro - Faltaa de suporte - Demasiado complexo - Apoio do pulso pouco - Base mais larga técnico ergonómico Apesar de existirem vários joystickss no mercado, muito poucos conseguem satisfazer as necessidades do SVI, o que limita a gama de escolha. Nenhum dos fabricantes tem disponíveis especificações técnicas (como por exemplo a frequência de amostragem, resolução dos eixos, gamaa de movimentos), o que dificulta umaa escolha objectiva do produto. A existência de 3 eixos principais na maioria dos modelos constitui umm grau de liberdade adicional que não é desejado, contudo, este problema não é grave visto que com uma simples modificação é possível eliminar o eixo adicional. O modelo 1 (FlightStick Pro) é um modelo simples de adaptar, no entantoo custa 3 vezes mais do que qualquer outro modelo e não é qualitativamente superior. Pelo preçoo do FlightStick Pro é possível adquirir 2 joysticks (1 para o piloto e 1 para o co-piloto) e poupar dinheiro. Mesmo colocando a perspectiva monetária de lado, o modelo 3 (Attack 3) é claramente um modelo qualitativamente superior, visto que este não tem eixos a mais (que podem prejudicar a operação do joystick) e além disso tem o desenho mais ergonómico de todos. Selecção Sugerida: Logitech - Attack k 3 1 N Na verdade são duas versões diferentess do joystick, uma para Xbox e outra PS3, apesar do título são ambas compatíveis com PC 13

26 Pedais Os pedais têm como objectivo implementar o controlo da guinada, g tipicamente através da actuação do rudder. Para aplicação no SVI consideraram-se as seguintes características como indispensáveis: O eixo principal deve ter uma ligação sólida entre os dois pedais (tradicional nas aeronaves, não podem ser pedais de automóveis) Deve ter 2 eixos adicionais independentes e operáveis com as pontas dos pés para implementação dos travões diferenciaiss (toe brakes). Esta propriedade revelou-se pouco crítica visto quee todos os modelos encontrados que satisfazem o primeiro critério também satisfazem este. Figura 3.7 Pedais do A320 Caso os pedais não respeitem estas propriedades, são automaticamente eliminados. e # Imagem Tabela 3..2 Lista de pedais válidos no mercado, parte Fabricante Nome Características Observações Preço [ ] Prós CH Products Pro pedals - USB - Plug & Play - Fraco suporte técnico do fabricante 134 c/portes incluídoss - Leve Saitek Pro Flight rudder pedals - USB - Pedal de tamanho ajustável - Força do pedal ajustável - Já com buracos para fixação e fita de velcro - Programável Saitek k Pro Flight Cessna rudderr pedals - USB Forçaa do pedal ajustável - Já com buracos para fixaçãoo e fita de velcro - Programável 99 + portes de envioo 189,999 + portes de envio - Versátil - Fácil de fixar - Fácil de fixar - Leve - Leve -Barato Contras - Não é fácil de fixar - Feito em plástico - Acabamento em plástico - Acabamento em plástico 14

27 # Imagem Tabela 3..3 Lista de pedais válidos no mercado, parte Fabricante Nome Características Observações Preço [ ] Prós Contras Saitek Pro Flight Combat rudder pedals - USB Ângulo do pedal ajustável - Força do pedal ajustável - Já com buracos para fixação e fita de velcro - Programável - Não necessita de portes de envio Simples de fixar - Leve - Acabamento em plástico Elite pedals - USB - Amortecimento pneumático - Comprido - *Preço pode ser negociado 741,90* + portes de envio - Resistente - Má relação qualidade preço Elite Dual pedals - USB - Amortecimento pneumático -Ligação mecânica entre piloto e co-piloto - Comprido - *Preço pode ser negociado 2428,38* + portes de envio - Resistente - Solução integrada para piloto e co-piloto - Sobre-valorizado (demasiado caro para o produto) # Imagem Tabela 3..4 Lista de pedais válidos no mercado, parte Fabricante Nome Características Observações Preço [ ] Prós Contras The Reall Cockpit Rudder pedals - USB - Pode ser mecanicamente ligado a um módulo idênticoo - 7 Kg 1018,25 c/portes incluídos - Resistente - Permitee ligação mecânica entre pilotoo e co-piloto - Caro Flight Link Jet rudder control modules - USB - Pode ser mecanicamente ligado a um módulo idêntico - Similares aos pedais de um Boeing (modelo não especificado pelo fabricante) - Muito pesado 2836,01 c/portes incluídos - Realístico - Permite ligação mecânica entre piloto e co-piloto - Pesado - Preço proibitivo Sim-Construct 737NGG rudder pedals - USB - Amortecimento pneumático - Replica dos pedais de um Boeing Kgg 1424,37 + impostos + portes de envio - Realístico - Pesado - Caro 15

28 Das opções disponíveis podem-se distinguir 2 categorias, equipamento de plástico barato e equipamento com aspecto mais realístico mas caro. De entre o equipamento mais barato, a opção 2 (Saitek Pro Flight rudder pedals) é a primeira opção visto que este modelo não só é o mais barato mas também o mais versátil. O modelo 6 (Elite Dual pedals) é automaticamente eliminado em comparação com o modelo 7 (The Real cockpit rudder pedals), visto que, sai mais barato adquirir 2 módulos do modelo 7 para além do facto que o modelo 6 ter uma caixa bastante comprida atrás dos pedais, o que dificulta a gestão do espaço no interior da cabine. Devido à limitação do espaço no interior da cabine o modelo 5 (Elite pedals) também será eliminado. Embora o modelo 8 (Flight Link Jet rudder control modules) tenha a capacidade de resolver conflitos de comandos entre piloto e co-piloto através de uma ligação mecânica, esta mais valia pode não justificar o preço em comparação com o modelo 9 (Sim-Construct 737NG rudder pedals) que não permite de fábrica esta função. No que toca à resolução de conflitos entre piloto e copiloto, é de relembrar que continuaria a existir conflito no controlo do joystick, e que este não permite uma solução mecânica do problema. Qualquer que seja a solução adoptada, faz sentido que a mesma solução seja aplicada uniformemente em todo o equipamento. Muito provavelmente este conflito será resolvido com um interruptor de transmissão de comando e protocolos de transmissão do comando (i.e. ou apenas o piloto ou apenas o co-piloto comanda a aeronave), ou o controlo será feito cooperativamente em que a influência de um é somada à influência do outro. Qualquer que seja a solução adoptada, uma resolução mecânica do conflito entre piloto e co-piloto não justifica o preço adicional do modelo 8. Entre o modelo 2, 7 e 9, é importante notar que é possível adquirir 10 Saitek Pro Flight rudder pedals pelo preço de 1 The Real Cockpit Rudder pedals ou 15 pelo preço de 1 Sim-Construct 737NG rudder pedals, existindo uma dificuldade na aquisição de equipamento para o projecto SVI, este é um factor bastante importante a considerar. Não olhando ao preço poderíamos ser levados a escolher um modelo com um aspecto mais realista, no entanto é preciso não esquecer que não se pretende replicar uma aeronave específica mas sim manter o cockpit o mais genérico possível. Os pedais não necessitam de se conformar com as características de um Boeing 747 ou um Cessna, pelo que se podem adoptar as características que mais convém (como por exemplo a versatilidade). Devido a este facto, o modelo 2 é a melhor escolha por ser mais leve e versátil, e caso mais tarde por questões não previstas for decidido que este modelo não é suficiente, é mais simples de o modificar. Se o modelo tiver de ser completamente descartado, o impacto financeiro é de apenas 7% ou 10% do custo total da aquisição das opções restantes, o que torna a aquisição do modelo 2 numa boa aposta. Selecção Sugerida: Saitek - Pro Flight rudder pedals Nota: Após aquisição do equipamento verificou-se que, para estes pedais, o eixo principal tem 512 níveis (9 bits) e os eixos individuais dos pedais têm 64 níveis (6 bits) cada. 16

29 Controlo de motores Figura 3.8 Exemplos de controlos de motores, A320 à esquerda, B737 B ao centro e B747 à direita O controlo dos motores tem como objectivo comandar a potência gerada pelos motores, e para a aplicação no SVI consideraram-se as seguintes características como c indispensáveis: Possuir mais do que 1 eixo independente devido à necessidade de simular várias aeronaves, seria bastante limitativo poder simular apenas um monomotor ou ter um controlo partilhado pelos vários motores Desenho ambidestro tem dee ser operável pelo piloto e co-piloto Caso o controlo do motor não respeitee um destes critérios é automaticamente eliminado. Embora não seja um critério de exclusão, é dada prioridade àss seguintes características: Permitir controlo da mistura Ter 4 ou mais eixos de motores individuais. # Imagem Tabela 3.5 Lista de controlos de motores válidos, parte Fabricante Nome Nº de eixos Outras características Observações Preço [ ] Prós Contras CH Products Throttle Quadrant 6 - USB - 6 interruptores - Manetes substituíveis - Programável - Versátil 140,95 c/ /portes incluídos - É possível substituirr qualquer manete, tornando-o versátil - Barato - Aspecto pouco realístico - Plástico King Air throttle Quadrant USB - 2 interruptores - Acabamento metálico - *Preço pode ser negociado 384,06* + portes de envio - Acabamento metálico (mais durável) - Configuração fixa Elite Mel USB - 2 interruptores - Acabamento metálico - *Preço pode ser negociado 282,98* + portes de envio - Acabamento metálico (mais durável) - Configuração fixa 17

30 # Imagem Tabela 3.6 Lista de controlos de motores válidos, parte Fabricante Nome Nº de eixos Outras características Observaçõess Preço [ ] Prós Contras Flight Link Twin Engine Power Quadrant USB - Acabamento metálico 864,99 c/portes dee envio incluídos - Acabamento metálico (mais durável) - Configuração fixaa Flight Simulator S Central 737 Throttle Motorized 2+extras - USB - Trim-wheels - Flaps - Speedd breaks - Válvula de combustível - Inversor de impulso - Travão de parqueamento - Programável - Motorizado, auto-throttle + auto-trim + auto-break + auto- externaa - 13 Kgg 3038 flaps - Similar ao B737 - Necessita de alimentação - Realístico - Integra vários equipamentos que simplesmente não se encontram à vendaa separadamente - Permite uma melhor interacção entre piloto e piloto-automático - Caro GoFlight GF-TQ6 Twin Engine 6-lever Jet Throttlee 6 - USB - Manetes substituíveis - Acabamento metálico É possível substituir qualquer manete, tornando-oo versátil - Acabamento metálico (mais durável) - Nada notável # Imagem Tabela 3.7 Lista de controlos de motores válidos, parte Fabricante Nome Nº de eixos Outras características Observaçõess Preço [ ] Prós Contras Flight Simulator Central 737 Throttle 2+extras - USB - Trim-wheels - Flaps - Speed breaks - Válvula de combustível - Inversor de impulso - Travão de parqueamento - Programável - Similar ao B737 - Necessita de alimentação externa (versão metálica) - Realístico - Integra vários equipamentos que simplesmentee não se encontram à venda separadamente - Caro 18

31 Não olhando ao preço, não existe a menor dúvida que o modelo 7 é o equipamento de qualidade superior devido à implementação de várias funcionalidades importantes das quais o SVI poderia beneficiar e que dificilmente se encontram à venda no mercado, e além disso, é o equipamento mais realístico. No entanto o preço é proibitivo, o que dificulta a sua aquisição para o projecto. Sendo assim, é necessário apresentar também uma sugestão mais em conta. Dos restantes equipamentos, o modelo 1 (CH Products Throttle Quadrant) é o principal candidato devido à sua superior versatilidade e preço reduzido. Selecção Ideal: Flight Simulator Central Throttle Motorized Selecção em Conta: CH Products - Throttle Quadrant Nota: Por dificuldades no processo de aquisição este equipamento não foi adquirido a tempo da conclusão do trabalho, pelo que não foi implementado Ecrã táctil O ecrã táctil vai permitir simular os restantes equipamentos não implementados fisicamente. A escolha do ecrã táctil foi relativamente fácil devido ao facto de existir apenas um modelo no mercado capaz de cumprir com as limitações geométricas. Preliminarmente averiguou-se com a ajuda de alguns ex-alunos do curso de Engenharia Aeroespacial, que não seria possível colocar um ecrã de tamanho superior a 19 no espaço existente para o painel, pois este não deixaria espaço para as pernas. Esta limitação eliminou por completo todas as opções visto que a maior parte do equipamento à venda tem tamanho superior, excepto o modelo da LG T1910B, pelo que naturalmente este foi escolhido. Sugestão Sugerida: LG - T1910B Devido ao custo de aquisição de ecrãs-tácteis, apenas 1 foi adquirido para testar o seu desempenho antes de fazer o investimento numa solução mais completa (i.e. com mais ecrãs). 19

32 4 Integração e Operação entre Subsistemas Depois da aquisição do equipamento, é importante saber como integrá-lo no SVI, tanto no que diz respeito à disposição geométrica do hardware como à respectiva interacção com o software de simulação. 4.1 Geometria da disposição do equipamento Neste trabalho teve-se a atenção de adaptar o equipamento às características anatómicas humanas, de modo a promover o conforto e evitar a fadiga do piloto após longas horas de operação. Para isso, é necessário um modelo geométrico da anatomia humana que pode ser obtido através da análise do esqueleto humano disponível em [5]. Depois de obtermos um modelo adequado da anatomia humana este será submetido a uma análise computacional de modo a optimizar automaticamente a posição dos componentes através de um algoritmo de busca com critérios de custo pré-definidos. Esta secção requer algum conhecimento de anatomia para compreender as estruturas e relações mencionadas no texto, como guia, é aconselhado o acompanhamento do livro mencionado na bibliografia [5] ou outro com conteúdo semelhante Parâmetros anatómicos Os pedais do rudder são operados com os pés, a orientação e tamanho da tíbia definem a posição relativa entre os pés e a rótula, por sua vez o fémur define a posição relativa entre a rótula e a fossa do acetábulo (estrutura óssea que articula a cabeça do fémur) e por último a estrutura de pélvis define a posição relativa do fémur à coluna vertebral e ao ísquio. Pressupondo que a coluna vertebral está numa condição normal de operação junto às costas da cadeira, e o ísquio na zona de contacto com a superfície da cadeira, pode-se relacionar a posição da cadeira relativamente aos pedais numa condição normal de operação, e optimizar a posição relativa dos pedais à cadeira. Usando o mesmo princípio pode-se relacionar a posição do joystick e outros instrumentos operáveis com as mãos através de um modelo da coluna vertebral, clavícula, úmero, cúbito (ulna) e mão. (ver estrutura na Figura 4.1). Também é importante ter em consideração o tipo de articulações entre cada uma destas estruturas para definir a gama de movimentos permitido. Os tipos de articulação mais relevantes para este trabalho podem ser consultados na Tabela

33 Tabela 4.1 Representação dos tipos de articulação do corpo humano 2 Tipo de articulação Descrição Dobradiça Permite a rotação num dos eixos perpendiculares ao eixo próprio (eixo próprio é o eixo de orientação do osso articulado) semelhante à dobradiça de uma porta. Ex. Articulação do cotovelo ou joelho Bola e sulco Articulação com 3 graus de liberdade para rotação. Ex. Articulação do Ombro Condilóide Modificação da articulação do tipo bola e sulco mas sem movimento de rotação sobre o eixo próprio. Ex. Articulação do pulso Sela Pivô Permite uma gama de movimentos semelhante à articulação do tipo Condilóide Ex. Articulação do Metacarpo (localizado na mão) Permite rotação apenas sobre o eixo próprio. Ex. Articulação do Rádio Plana Permite translação entre estruturas Ex. Articulação entre a navicular e a segunda cuneiforme (localizado no pé) Pode-se representar esquematicamente as relações das estruturas ósseas a partir do diagrama da Figura 4.2 (esquema que também é utilizado em vários estudos sobre a anatomia do movimento com a simples diferença de neste caso a coluna vertebral é rígida, como por exemplo [6], [7] e [8]). 2 Imagens cortesia da DK Books (cliparts) 21

34 Figura 4.1 Nomenclatura dos diferentes ossos do corpo humano 3 Figura 4.2 Modelo do esqueleto humano Nota: estruturas a azul, articulações e terminações a vermelho (ver( Tabela 4.2 para a legenda completa). 3 I magem de Mariana Ruiz Villarreal 22

35 Estruturas D pi D ps D p /2 D c D om /2 D b D ab D m D oo Articulações J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 J 6 J 7 Terminações J m J p J o Tabela 4.2 Legenda da Figura 4.2 Distância entre J p e J 7, correspondente à tíbia Distância entre a articulação J 7 e J 6, correspondente ao comprimento do fémur Distância entre a articulação J 6 e J 5, correspondente à distância do fémur ao plano de simetria (D p corresponde à distância entre J 6 da perna esquerda e J 6 da perna direita, e aproximadamente a metade da largura exterior da anca) Distância entre a articulação J 5 e J 1, correspondente ao comprimento da coluna vertebral até ao plano horizontal da clavícula. (considerado como estrutura única devido ao facto de o piloto estar preso à cadeira pelo cinto de segurança, mantendo preferencialmente as costas na mesma posição) Distância entre a articulação J 1 e J 2, correspondente ao comprimento da clavícula (D om é aproximadamente a distância entre J 2 do braço esquerdo e J 2 do braço direito na posição normal dos ombros após correcção do ângulo de elevação) Distância entre a articulação J 2 e J 3, correspondente ao comprimento do úmero Distância entre a articulação J 3 e J 4, correspondente ao comprimento do cúbito Distância entre J 4 e J m, correspondente ao comprimento da mão sem contar com os dedos (i.e. apenas carpais + metacarpais) Altura dos olhos relativamente à clavícula na posição normal Articulação do tipo sela (são na realidade 2 articulações distintas, uma para o lado esquerdo e outra para o direito) Articulação do tipo bola e sulco Articulação do tipo dobradiça entre o cúbito e o úmero e do tipo pivô entre cúbito e o rádio, é a rotação do rádio que executa a mal nomeada rotação do pulso Articulação do tipo condilóide Articulação fictícia, este é apenas um ponto que assiste na definição da geometria da pélvis, não existe qualquer movimento neste ponto Articulação do tipo bola e sulco Articulação do tipo dobradiça Posição da mão, que irá corresponder com a posição de contacto com o joystick Posição do pé, que irá corresponder à zona de contacto com os pedais Ponto médio entre os olhos Nota: Quando uma diferenciação entre a articulação/terminação esquerda da direita é necessária, utiliza-se o sufixo e ou d respectivamente (i.e. J ie ou J id, ex. J 2e corresponde à articulação J 2 do lado esquerdo) É preciso tomar em consideração que a dimensão de cada uma destas estruturas varia de pessoa para pessoa, principalmente quando existe uma diferença considerável de estatura. É importante desenhar o equipamento de modo a permitir uma vasta gama de operadores em vez de apenas optimizar para um utilizador de estatura média. Para resolver este problema, é conveniente adimensionar os componentes do modelo anatómico, dividindo cada um dos comprimentos pela estatura da pessoa como exemplificado na equação (4.1). (4.1) Onde é o coeficiente anatómico i, corresponde às dimensões de uma estrutura da Tabela 4.2 e corresponde à estatura da pessoa em análise. De certa forma é intuitivo ao comparar as dimensões de 2 indivíduos de estaturas diferentes, que um individuo de estatura superior irá ter (por exemplo) o comprimento do cúbito proporcionalmente maior que um individuo de estatura inferior, pelo que se pode facilmente compreender a utilidade da definição dos coeficientes anatómicos numa análise computacional onde se simulam vários indivíduos de estaturas diferentes (basta apenas escolher a estatura do individuo a simular e estimar as suas proporções com base nos coeficientes e na equação (4.1)). Contudo, na realidade, as dimensões de cada componente não progridem necessariamente de 23

36 forma linear com a estatura. Para dificultar ainda mais esta situação, as proporções anatómicas variam com a idade, sexo e até mesmo entre pessoas com a mesma estatura. Devido a estes problemas, é questionável considerar os coeficientes anatómicos como constantes. Por outro lado, não é de esperar que estas proporções variem radicalmente entre indivíduos adultos de estatura dentro dos parâmetros normais, e como se pode verificar em dados estatísticos disponíveis em [9], a variação média de cada um dos componentes é inferior a 10% entre indivíduos de estaturas diferentes. Deste modo, não é de todo injustificado considerar os coeficientes anatómicos como constantes para obter uma estimativa das dimensões de cada elemento. Para obter os coeficientes anatómicos, recorreu-se a uma estimação de dados estatísticos que constam na bibliografia [9], [10], [11] e [12]. As dimensões dos dados bibliográficos são inicialmente estimadas através dos esquemas e dimensões anatómicas apresentadas para o 50º percentil de forma independente para o sexo masculino e feminino (tendo em conta a tradução adequada das dimensões; ex. o tamanho do braço pode ser estimado fazendo a diferença entre a altura do ombro e altura do cotovelo). Esses valores são posteriormente adimensionados para a estatura a que correspondem, e finalmente os coeficientes anatómicos resultantes são submetidos a uma média simples, criando assim as estimativas bibliográficas. As estimativas bibliográficas são então ponderadas em 50% com dados recolhidos de alunos do curso de Engenharia Aeroespacial. Os coeficientes podem ser consultados na Tabela 4.3. Tabela Coeficientes anatómicos Estrutura Coeficiente (K i ) Estimativa Dados ξ (%) bibliográfica recolhidos D pi 0, , , ,97 D ps 0, , , ,52 D p /2 0, , , ,89 D c 0, , , ,3 D om /2 0, , , ,23 D b 0, , , ,61 D ab 0, , , ,64 D m 0, , , ,25 D oo 0, , , ,05 Embora seja um pouco contra-intuitivo, a ponderar os dados bibliográficos com dados reais recolhidos de alunos de Aeroespacial devido ao facto dos dados bibliográficos serem baseados numa maior amostra populacional, não se pode esquecer que as amostras bibliográficas são representativas de cidadãos dos Estados Unidos da América, de diferentes décadas, que nenhuma única fonte bibliográfica apresenta uma lista completa contendo todos os dados necessários para este modelo, e que os mesmos dados não foram recolhidos directamente pelos autores, mas foram por sua vez estimados de outras fontes. Portanto, esta ponderação serve para avaliar os erros de estimação, para além de atenuar algumas discrepâncias entre os valores descritos na bibliografia devido à falta de dados directamente recolhidos. No entanto, as diferenças entre os dados anatómicos recolhidos e os mencionados na bibliografia não se revelaram superiores a 6% (a discrepância entre os dados bibliográficos e os reais estão identificados na Tabela 4.3 como ξ ), pelo que se pode considerar estes dados como fidedignos. Recorrendo também a dados estatísticos disponíveis em [9], [11] e [12], pode-se considerar como limites de análise, estaturas desde o 5º percentil do sexo feminino até ao 95º percentil do sexo masculino, e tomar como estatura média a média entre os indivíduos no 50º percentil de ambos os sexos. Isto é, estatura mínima 1,52m, estatura máxima 1,87m e estatura média 1,69m. Por último, para definirmos completamente o modelo anatómico, é necesário identificar as amplitudes máximas que cada articulação pode efectuar. A lista completa de todos os movimentos possíveis é extensa, contudo verificou-se que na gama de soluções em que o algoritmo de procura trabalha a maior parte dos limites não são violados. Como por exemplo a amplitude do ângulo do cotovelo (J 3 ) que varia tipicamente entre os 30 e os 180, que só é violado nas situações impraticáveis em que o joystick está encostado ao ombro do piloto ou por debaixo do descanso do braço (com o braço a atravessar o apoio), situações essas que já são automaticamente descartadas por outros limites geométricos (ver relações geométricas no subcapítulo 4.1.4). 24

37 Apenas os seguintes limites necessitam de uma particular atenção ( [13], [14], [15] e confirmada com dados recolhidos de alunos): Tabela Principais limites das articulações Articulação Tipo de Amplitude Amplitude Observação Movimento Mínima Máxima J p Flexão Plantar e Dorsiflexão Ângulo medido entre a tíbia e a planta do pé J 1 Elevação Depressão Deflexão positiva no sentido da elevação J 1 Adução Abdução Deflexão positiva no sentido da abdução J 4 Desvio Ulnar e Radial Deflexão positiva na direcção Ulnar Parâmetros da cabine e equipamento A cabine está equipada com cadeiras próprias para o piloto e co-piloto em posições simétricas na cabine. Devido a esta simetria, é desnecessário efectuar uma análise independente para o piloto e o co-piloto, pois qualquer resultado obtido para o piloto pode ser extrapolado para o copiloto com uma transformação de coordenadas apropriada. Para efeitos de análise define-se o sistema de eixos do piloto/co-piloto exemplificado na Figura 4.3, onde: 1. O eixo dos XX está orientado na direcção da cabine e centrado na posição que a coluna vertebral tem quando a cadeira está regulada na posição mais à frente possível (para não existir ambiguidade o centro encontra-se a uma distância no eixo dos XX de 0,57m da barra de guarda) 2. O eixo dos ZZ está orientado na vertical em direcção ao tecto e centrado no chão 3. O eixo dos YY forma um referencial ortogonal direito com os restantes eixos e está centrado no plano de simetria da cadeira em análise (obtendo dados relativos ao piloto ou ao co-piloto). Figura 4.3 Sistema de coordenadas do piloto 25

38 Por conveniência, os dados apresentados nesta análise correspondem ao piloto (localizado no lado esquerdo da cabine). Neste eixo de coordenadas a cadeira tem as seguintes regulações: Tabela 4.5 Regulações possíveis da cadeira na coordenada X e Z Posição Coordenada X [m] 0-0,025-0,05-0,078-0,09-0,110 Posição Coordenada Z [m] 0,490 0,515 0,540 0,565 0,590 0,615 Contudo, devido à dificuldade em operar a cadeira no eixo Z (defeito da cadeira), apenas a posição 1 foi considerada. Os apoios das costas das cadeiras têm um ângulo de 13. Ambas as cadeiras vêm com apoios para os braços (tanto para o braço esquerdo como para o direito) cuja superfície de apoio se encontra a 0,285m de distância relativamente ao plano de simetria da cadeira e está a uma altura de 0,22m acima da altura de regulação da cadeira, o apoio apenas pode suportar até 0,1m na coordenada X relativo à posição de regulação da cadeira. A altura mínima da cabine (do chão ao tecto) na posição do piloto é de 1,5m e a distância mínima entre o eixo de simetria da cadeira e a parede na zona provável da localização do joystick é de 0,38m. Existe uma barra horizontal orientada no eixo dos YY com coordenadas (X;Z) de (0,57;0,5)m que se destina a resguardar os monitores de serem acidentalmente danificados com o joelho. Esta posição para os monitores foi seleccionada porque: 1. Convenientemente já existirem apoios nesta zona (o que evita uma remodelação dispendiosa da estrutura da cabine) 2. Está localizado na zona onde os antigos instrumentos do Fokker 27 se localizavam 3. É a posição de maior altura possível para os monitores que maximiza o já pequeno espaço para as pernas ao mesmo tempo que se adapta às características do monitor e ao painel pré-existente 4. Proporciona uma boa distância entre o piloto e o monitor de modo a aumentar o espaço para as pernas sem que os ecrãs se tornem inacessíveis. Os pedais adquiridos têm a distância entre pedais igual 0,31m e em operação cada pedal pode mover-se 0,06m para trás ou para a frente ao longo do eixo. O pedal tem um ângulo de elevação máximo e mínimo de 30 e 15 (não pressionado, pressionado respectivamente). Já o joystick tem um ângulo neutro (ângulo da manete na posição centrada) de 20 e uma amplitude angular de 20 em cada eixo em cada direcção. A deslocação máxima em apenas um eixo provoca uma deslocação horizontal de 0,033m e uma deslocação vertical de -0,005m no ponto médio onde a mão agarra a manete. Figura 4.4 Medidas importantes dos pedais Figura 4.5 Ângulo neutro do joystick Nota: ponto verde indica o ponto médio de contacto com a mão 26

39 4.1.3 Considerações de ergonomia Para optimizar a localização do equipamento é importante identificar as causas do cansaço e desconforto na operação do equipamento o. O cansaço está associado à energiaa despendida para flectir os músculos, quer este esteja associado a uma força intencional para fazer deslocar um objectoo ou a uma força necessária para vencer o peso próprio (ou forças de retorno ao pontoo neutro do equipamento) de modo a manter um objecto numa posição fixa de operação. Membros inferiores: Analisando então em primeiro lugar o que aconteceria naturalmente aos membros inferiores na situação em que não existe nenhuma força aplicadaa por músculos, assumindo que a posição da articulação J 6 é fixa e que existe um conjunto de pedais numa localização genérica acessível à frentee do piloto a uma altura inferior à altura da pélvis. Para definir completamente a posição da perna é necessário considerar c 7 graus de liberdade, 3 graus de liberdade para a posição da articulação J 6, 3 graus de liberdadee para a rotação da articulação J 6, e como as distâncias entre as articulações estão pré-definidas e a articulação J 7 é do tipo dobradiça é necessário apenas mais 1 grau de liberdade para p definir a posição da perna. Existem 3 restrições independentes devido a assumirmos que o ponto p J 6 estáá pré-definido, mais 2 restrições devido ao facto da posição doss pedais na coordenada Y e Z estar também pré-definida e existe 1 restrição adicional que corresponde à rotação do pé que q tem de estar alinhado com o pedal (perfazendo o total de 6 restrições) ). Conjugando os graus de d liberdade da posição da perna no espaço com as restrições geométricass do problema, o sistemaa tem no total 1 grau de liberdade (que correspondee à operação do pedall no eixo dos XX). Considera-se também que a perna superior e inferior têm um peso próprio P 1 e P 2 respectivamente, obtendo o esquema mecânico representado na Figura 4.6 Figura 4.6 Esquema mecânico para a perna inferior, projecção lateral sobre a superfície XZ Como se pode deduzir qualitativamente a partir do esquema, as forças P 1 e P 2 vão criar um momento sobre as secções D ps e D pi, causando a rotação destas em direcção ao solo e por consequência o aumento da sua projecção sobre o eixo dos XX. Devido à incapacidade do ponto J p equilibrar as forças resultantes sobre o eixo dos XX, este tem necessariamente de ser acelerado causado um deslocamento do pedal X como indicado na Figura F 4.6. Esta situação não é conveniente devido ao facto de precisarmos de contrair os músculos de forma a contrariar esta tendência só para conseguir manter o pedal na posição neutra. Contudo é necessário não esquecer que existem 2 pedais e duas pernas, e que o pedal esquerdo está mecanicamente ligado ao pedal direito de tal forma que uma deslocação em XX do pedal esquerdo causa uma deslocação em - X no pedall direito. Embora no estado inicial perna esquerda esteja fisicamente lado a lado com a perna direita, devido à relação mecânicaa do pedal ( X; - X) pode-se transformar o caso real num problema equivalente em que a perna esquerda se encontra oposta à perna direita como na Figura

40 Figura 4.7 Esquema mecânico equivalente considerando ambas as pernas inferiores Simplesmente, devido à simetria do problema, implica que a resultante da força sobre o pedal é nula, isto implica que não é necessário uma intervenção muscular para manter o pedal no ponto neutro. No entanto, o problema não termina aqui porque este sistema pode ser instável, pois uma deslocação em X causa uma mudançaa assimétricaa dos ângulos da pernaa (com ângulos mais rasoss na situação em que o pedal está mais longe). Não se pode também esquecer que o pedal tem um sistema de molas com o objectivo de exercer uma força que levee o pedal de novo à posição neutra. Desde de que o gradientee da força exercida pelo pedal seja superior ao gradiente das forças (causadas pelo peso próprio) devido à assimetria no sistema, este é necessariamente estável. Como o gradiente da força do pedal é regulável, é possível com um procedimentoo simples ajustar a força do pedal para cada utilizador de modo a quee o pedal tenha a tendência a permanecer no ponto neutro sem qualquer esforço, ao mesmoo tempo quee minimiza o esforço necessário para uma deflexão intencional. Figura 4.8 Esquema mecânico equivalente considerando ambas ass pernas mais a mola do pedal Avaliando os esforços necessários para deslocar o pedal, a posiçãoo neutra do pedal é importante, pois dependendo da geometria as forças exercidas podem ser mais ou menos eficientes assim como o esforço pode serr transferido de músculoss mais sensíveis ao cansaço para músculos menos sensíveis ou vice-versa. Para efectuar umaa análise completa de modo a minimizar o cansaço, seria necessário efectuar um estudo extenso sobre a capacidade muscular de recuperação ao esforço e estudos estáticos sobre a extensão temporal em que é necessário empurra o pedal contra a extensão temporal em que é necessárioo pressionar r o pedal. No entanto, existem recomendações paraa as posições ideais do pedal quando este se destina a uma trabalho de precisão ou esforço [10]. 28

41 Figura 4.9 Recomendação para trabalhoo de precisão à esquerda, para exercerr esforço à direita Membros superiores Para descrever completamente a posição do braço é necessário definir 122 graus de liberdade, 3 referentes à posição de J 1, 2 referentes à rotaçãoo de J 1 (articulação tipo sela), 3 referentes à rotação de J 2 (articulação tipo bola e sulco), 2 referentes à articulação J 3 (articulação tipo dobradiça e tipo pivot) e 2 eferentes à articulação J 4 (articulação tipo condilóide). Assumindo que a posiçãoo de J 1 e doo joystick está inicialmente definida, existem 7 restrições r associadas a este, 3 restrições na posiçãoo de J 1, 1 restrição na rotação sobre o eixo do joystick e 3 restrições devido a uma inter-relação entre 2 ângulos de rotação e 3 coordenadas (XYZ)( da posição do joystick. A conjugação destess factores implica que o sistema s tem 5 graus de liberdade (2 dos quais ligados à operação do joystick). Da mesma forma que efectuou a análise para os membros inferiores, recorre-se a um esquema mecânico para analisar o comportamentoo dos membros superiores. Considere que cada elemento tem um peso próprio P 1, P 2, P3 e P 4 como indicado na Figura Figura 4.10 Esquema mecânico para o membro superior, vista lateral Da mesma forma que foi feita f a análise para os membro inferiores, pode-se facilmentee deduzir qualitativamente que devido ao facto de J m não ter capacidade de contrabalançar as forças horizontais resultantes, este necessariam mente terá uma deslocação X e Y (não representada na figura), situação esta que não é desejável pois implica que nãoo é possível manter o joystick na posição neutra sem esforço. Este problema pode ser minimizado com a utilização de um apoio para o cotovelo. O utilizador deve inicialmente colocar o joystick na n posição desejada e de seguida pousar o cotoveloo sobre o apoio. Ao pousar o cotovelo sobre o apoio, este adiciona 3 restrições ao sistema, 1 restrição sobre o eixo dos ZZ devido ao contacto comm o apoio, e 2 restrições no plano horizontal (eixos X e Y) introduzidas pela força de atrito sobre a superfície do apoio, o que nos leva ao sistema equivalente da Figura 4.11 com 1 grau de liberdade para a secção esterno- uma cotovelo e 1 grau de liberdade para a seção cotoveloo joystick. (Nota: Uma vez fixo o joystick, rotação positiva do joystick no eixo dos Y implica uma deslocaçãoo positiva no eixo dos XX) 29

42 Figura 4.11 Esquema mecânicoo do membro superior com apoio do cotovelo O grau de liberdade associado à secção esterno-cotovelo permite a deslocação de J 2, enquanto o grau de liberdade associadoo à secção cotovelo-joystick conjugaa rotações das articulações J 2, J 3 e J 4 que permite, principalmente, o movimento do joystick no eixo dos YY (para deslocar o joystick no eixo dos XX o cotovelo terá de ser levantado do apoio). Se o braço b for alinhado com o eixo dos XX pode-se obter o esquema da Figura 4.12, que por questões de simetria na secção cotovelo- joystick, a força lateral sobre o joystick (com o joystick no ponto neutro) é nula. Figura 4.12 Esquema mecânico para o membro superior com apoio do d braço e molas (vista superior) Contudo esta situação é instável poiss um pequeno desvio implica a perda de simetria e um desequilíbrio de forças na direcção do desvio, contudo o joystick tem um sistema de molas que exerce força de forma a levar o joystickk para a posição neutra, o que torna o sistema estável desdee que o gradiente da força f da mola seja superior ao gradiente de forças associado ao desalinhamento do braço. Isto permite operar o joystick sem esforço adicional para o manter no pontoo neutro. Para a secção esterno-cotovelo, o ponto J 2 terá a tendência a descer até atingir o limite inferior de elevação (caso exista espaço) ou o limite inferior adução (caso o espaço seja reduzido) r dependendo das condições geométricas descritas no subcapítulo Relações geométricas Tendo definido as dimensões e restrições do modelo anatómico, assim como determinadas as dimensões, regulações e limitações dos elementos mecânicos daa cabine, pode-se agora definir as relações geométricas que irão determinarr a posição dos vários elementos do modelo anatómico. A posição das articulações J 1, J 6, J p e J m são à partida conhecidas, J 1 e J 6 devido ao facto de o pilotoo ter necessariamente as costas encostadas à cadeira e presos pelo cinto de segurança, J p devido à necessidade de operar o pedal e J m devido à necessidade de operar o joystick. Tendo isto em conta, pode-se inferiores e o outro correspondente à posição dos membross superiores. Não dividir o problema em 2 sub-problemas, umm correspondente à posição dos membros é 30

43 necessário proceder à simulação para ambas as pernas ou para ambos oss braços visto que o corpoo humano é bilateralmente simétrico, i.e. os limites de movimento da perna esquerda são o simétricos aos da perna direita, e os limites de operação do joystick pelo piloto (braço esquerdo) são simétricos aos do co-piloto (braço direito). Para que não haja confusão, os cálculos e fórmulas apresentadas estão definidas para o lado esquerdo do piloto. Membros inferiores: Tendo a posição da pélvis e do pedal definida, basta apenas definir a posição da tíbia e do fémur; tendo a tíbia e o fémur dimensões também definidas (D p i e D ps respectivamente) o vector pélvis-pedal, tíbia e fémur constitui um triângulo com ângulos e orientação porr determinar.. O plano onde este triângulo se encontra está necessariamente orientado verticalmente, pois o pé deve estar orientado com o pedal e J 6 é a única articulação quee permite rotação sobre o próprio eixo. Definindo o vector pélvis-pedal ( ) como base, o ângulo de elevação do triângulo e o ângulo de rotaçãoo do plano em torno do eixo dos ZZ podem ser calculados c pelas equações (4.2) e (4.3) respectivamente. (4.2). (4.3) Figura Esquema das relações geométricas dos membros inferiores vista de cima Figura Esquema das relações geométricas dos membros inferiores vista lateral Para determinar os ângulos e pode-se usar as equaçõess (4.4a) e (4.4b). 31

44 1 2. (4.4a) 1 2. (4.4b) Demonstração: Considere um triângulo genérico de base B e lados e e ângulos e como indicado na Figura 4.15 Figura 4.15 Triângulo auxiliar à demonstração do problema do joelho Através de relações trigonométricas pode-se escrever as equações (4.5) e (4.6) (4.5) (4.6) a partir da equação (4.5) pode-se isolar da expressão (4.7) substitui-se o resultado de (4.7) em (4.6), e isolando o primeiroo termo obtém-se: (4.8) utilizando a equivalência trigonométrica expressa na equação (4.9)( obtém-se a equação (4.10) 1 (4.9) 1 (4.10) elevando toda a expressão ao quadrado obtém-se:. 2. (4.11) rearranjando a equação (4.11) obtém-se: 32

45 (4.12) aplicando a inversa do coseno obtém-se a equação (4.13a), e por simetria a (4.13b) 1 2 (4.13a). 1 2 (4.13b). que correspondem às expressões (4.4a) e (4.4b) rodadas de um ângulo φ. Desta forma, a posição de J 7 pode ser dada pela equação (4.14) (4.14) Membros superiores: Devido à presença do apoio do braço como uma imposição ergonómica, pode-se resolver em primeiro lugar a posição da secção cotovelo-pulso, permitindo saber a posição do cotovelo, que será então usada para estimar a posição da secção esterno-cotovelo. Conhecendo a posição e deflexão do joystick, a posição do pulso está automaticamente definida, pois devido à necessidade de operar o joystick, a mão deve acompanhar os movimentos deste. Considerando genericamente que o joystick tem uma deflexão β x e β y, a posição do pulso (articulação J 4 ) pode ser calculada aplicando as rotações correspondentes destas deflexões e ângulo neutro a um vector de dimensão D m orientado em X, e posteriormente somar este resultado à posição do joystick como indicado na equação (4.15). 0 (4.15) 0 Onde as funções R X (β) e R Y (β) correspondem às matrizes de rotação de β em torno do eixo dos XX e dos YY respectivamente, e P j corresponde à posição do joystick. Tendo em conta que as coordenadas Y e Z do cotovelo são A priori conhecidas através da posição do apoio para o cotovelo, a coordenada X de J 3 pode ser dada pela equação (4.16).. (4.16) onde ϑ 1 e ϑ 2 são dados pelas equações (4.17) e (4.18) (4.17). (4.18) Tendo a posição de J 3 definida, a posição da articulação J 2 está limitada pelo comprimento D b. Como já foi visto no subcapítulo 4.1.3, a articulação tem a tendência natural em manter-se no limite inferior de elevação, isto poderia levar-nos a pensar que a coordenada Z de J 2 esteja conhecida A priori necessitando de determinar apenas as coordenadas X e Y, contudo 33

46 dependendo da coordenada X, o ombro pode atingir o limite inferior de abdução em vez do limite inferior de elevação. Considerando entãoo o ponto crítico que corresponde emm simultâneo ao limite inferior de elevação e de abdução. Figura Diagrama exagerado dos limites do ombro Como tipicamente o cotovelo se encontra abaixo e à frente doo ombro (tendo definido a posição do cotovelo), caso D b seja insuficiente para atingir o ponto crítico, então naturalmente a solução da posição J 2 terá de ser um ponto mais próximo de J3, 3 situação esta e que ocorre apenas no limite inferior de elevação; neste caso é conhecida A priori a coordenada Z. Caso D b seja superior à distância entre o cotovelo e o ponto crítico, então a solução da posição de J 2 deve ser um ponto mais distante de J 3 de modo a acomodar essa distância adicional, esta situação ocorre apenas no limite inferior de abdução; neste caso é conhecido A priori a coordenada X. Como J 1, J 2 e J 3 formam um triângulo cuja distância entre os vértices é conhecida, é possível adoptar a soluçãoo do problema do joelho aplicada de uma rotação do plano no espaço até alinhar J 2 com o limite inferior válido. Definido o vector esterno-cotovelo ( ), o ângulo do triângulo junto à articulação J 1 (α 3 ) é dado por: (4.19) Num sistema de coordenadas (X ;Y ;Z ) centrado em J 1 emm que o triângulo está disposto verticalmente e orientado em X, a articulação J 2 tem coordenadas D om /2.[cos(α 3 ); 0;sen(α 3 )]. Para converter este resultado paraa as coordenadas do piloto pode-see recorrer à transformação dada pela equação (4.20)... (4.20) Onde ω 2 e ω 3 correspondem ao alinhamento do vector em elevação e azimute respectivamente e que são dados pelas equações (4.21) e (4.22). O ângulo ω 1 não é conhecido A priori, mas corresponde à rotação do referencial sobre o eixo doo vector (de modo a alinhar J 2 com o seu limite inferior válido). (4.21). (4.22) Nestas condições, J 2 no eferencial do piloto é dado pela equação (4.23) 34

47 2 (4.23) Para o caso em que o limite inferior aplicável é o de elevação, então a coordenada J 2Z é conhecida à partida. Deste modo, utilizando apenas a coordenada Z da equação (4.23), pode-se determinar ω 1 tornando o problema completamente definido. (4.24) Nota: é necessário não esquecer que a função acos só devolve valores entre 0 e π embora exista solução entre π e 0, no caso do braço esquerdo a solução desejada encontra-se entre π e 0, daí o sinal negativo na equação (4.24). No entanto, para o caso em que o limite inferior aplicável é o de abdução (estando assim definido J 2X em vez de J 2Z ), a determinação de ω 1 deixa de ser tão simples, pois como se pode observar na equação (4.23), aparece um termo em sen(ω 1 ) e cos(ω 1 ). Embora o problema esteja não menos definido, existe outra solução conceptualmente mais simples de implementar, ora notese que, embora o problema não tenha nenhuma preferência espacial, este é relativamente simples na coordenada Z. Esta situação deve-se apenas ao referencial em que se decidiu trabalhar. Escolhendo o sistema de coordenadas (X ;Y ;Z ) centrado em J 1 em que o triângulo está disposto verticalmente e orientado em Y, a articulação J 2 tem coordenadas D om /2.[0; cos(α 3 );sen(α 3 )]. Neste referencial, pelos mesmos motivos referidos para o primeiro caso, podem escrever-se as seguintes equações:... (4.25) (4.26). (4.27) (4.28) definindo completamente o problema de forma simples. 35

48 4.1.5 Restrições de exclusão Após calculadas as posições geométricas que cada elemento devee ter, é necessário reconhecer que nem todas estas posições são válidas. As equações apresentadas no subcapítulo não têm em consideração limitações físicas ou biológicas (com( por exemplo as pernas não podem atravessar a cadeira ou as articulações não podem violar os limitess descritos na Tabela 4.4). Como as proporções geométricas ditam uma posição necessária para operar o equipamento, a violação de restrições adicionais implica que a operação do equipamentoe o não é possível. Por exemplo, se a posição relativa entre a cadeira e os pedais implicar que as pernas do piloto atravessem a cadeira só para chegar aos pedais, então não é possível p paraa o piloto chegar aos pedais devido ao facto destee não conseguir fisicamente colocarr as pernas na posição indicada. Quando isto acontece, deve-se descartar este cenário e prosseguir para a avaliação de uma configuração diferente. Membros inferiores Para os membros superiores existem 3 limitações notáveis: 1. A perna não pode atravessar a cadeira 2. O pé tem de conseguir premir o pedal e não premir p o pedal 3. A perna não pode intersectar a barra de guarda dos monitores Para verificar se a perna atravessam ou não a cadeira, bastaa apenas verificar se o ângulo α 1 dado pela equação (4.4a) é positivo (pois a superfíciee da cadeira é perfeitamente horizontal). Para verificar se o pé consegue premir e não premir o pedal, tem-se emm consideração uma superfície horizontal no ponto de contacto entre o pé e o pedal dividida ao meio no plano ZY (dividindo o plano em parte posterior e anterior). O ângulo α 2 dado pela equação (4.4b) é medido entree a perna e a parte anterior da superfície imaginária, enquanto o ânguloo ρ dado pelos limites do pedal referido no subcapítulo 4.1.2, é medido entre o pedal e a parte posterior da superfície. O ângulo σ entre a perna e o pedal tem de estar dentro do limite referido para articulação J P na Tabela 4.4. A soma dos ângulos α 2, ρ e σ tem obrigatoriamente dee ser igual a 180. Figura 4.17 Relação entre os ângulos α2, ρ e σ 180 (4.29) Caso σ dado pela equação (4.29) esteja fora dos limites da Tabela 4.4, então a configuração é automaticamentee excluída. Como o pedal pressionadoo na posiçãoo mais distante implica um u ρ e α 2 mínimos, assim como o pedal não pressionado na posição mais próxima implica um ρ e α 2 máximos, a análise destas 2 situações é suficiente para garantir a restrição número 2. Neste ponto, é possível lançar facilmente a objecção de que a perna não está necessariamente alinhada com o eixo do pedal (como jáá se viu pela equação (4.3)), pelo que poderíamos ser levados a pensar que não seria correcto aplicar a soma directa entre α 2 e ρ. No entanto, é de notar que θ é muito próximo de 0, como também foi confirmado atravéss de medidas feitos a alunos que o ângulo máximo entre a planta do pé e o chão (quando a pernaa está numa a posição predefinida) se mantém quando o pé roda lateralmente. Deste modo, a soma directa entre α 2 e ρ é de facto apropriada. 36

49 Para verificar a intersecção da perna com a barra de guarda do monitor, tem-se em consideração o vector joelho-pé ( ), o vector correspondente à orientação da barra de guarda do monitor ( =[0;-1;0]), a posição de J 7 (equação (4.14)) e a posição da barra de guarda do monitor ( =[0,57; 0; 0,5]). Para facilitar a análise, define-se também o vector unitário perpendicular a e que será utilizado como métrica para determinar a distância mínima entre e. Desta forma podese escrever a equação (4.30). 0 0 (4.30) 1 Embora a equação (4.30) tenha solução e pode ser resolvida, tentar resolve-la directamente pode ser algo trabalhoso. Para facilitar este processo, define-se o vector não unitário e colinear com, onde o valor de DPM Z é conhecido e igual a 1. Substituindo por na equação (4.30), deixamos de saber qual será o valor do produto interno de consigo próprio, pelo que convém eliminar esta linha da equação. Como DPM Z é conhecido, podem-se passar todos os termos associados a este para o lado direito da equação dando origem à equação (4.31) onde: (4.31) ; (4.32) Tendo todos os termos conhecidos, pode-se calcular os restantes termos de através da equação (4.33) Agora vem directamente dado pela equação (4.34) (4.33) (4.34) Tendo os vectores definidos, é necessário entrar em conta com a posição espacial dos segmentos de recta. Considerando então o ponto da barra de guarda mais próximo da perna, este pode ser dado pela soma de P SM com o vector multiplicado por uma constante k, da mesma forma este mesmo ponto pode ser dado pela soma de J 7 com os vectores e multiplicados pelas constantes i e j respectivamente. Esta equivalência pode ser expressa através da equação (4.35)... (4.35) Rearranjando a equação (4.35), obtém-se a equação (4.36) onde: (4.36) 37

50 ; (4.37) Desta forma, os coeficientes i, j e k podem ser determinados pela equação (4.38) (4.38) Sendo j o factor multiplicativo do vector unitário que se situa entre a perna e a barra de guarda do monitor, então j é necessariamente a distância entre a perna e a barra de guarda do monitor. Para esta análise, considerou-se que j deve ser >0,08m para acomodar a espessura da perna e acomodar mais algum espaço de manobra. É de notar que esta limitação só é relevante quando a barra de guarda do monitor estiver abaixo da altura do joelho, pelo que apenas se deve aplicar quando i >0. Para confirmar que de facto não há intersecção da perna com a barra de guarda do monitor, testou-se todas as deflexões dos pedais em incrementos de 0,005m. Membros superiores Para os membros superiores existem 3 limitações notáveis: 1. A deslocação do ombro não pode exceder os limites da Tabela O desvio ulnar/radial não deve exceder os limites da Tabela A posição do cotovelo não deve exceder o apoio da cadeira ou atravessá-la A primeira limitação é simples de verificar, visto que a posição de J 2 pode ser dada pela equação (4.20) ou (4.25) dependendo se o limite a resguardar é o de abdução ou de elevação, em que o valor do ângulo ω pode ser dado pela equação (4.39a) ou (4.39b) respectivamente. 2 (4.39a) 2 (4.39b) Para verificar a limitação do desvio ulnar/radial não é tão simples, embora seja possível determinar o ângulo entre o segmento D m e D ab, é necessário relembrar que o pulso permite 2 tipos de rotação onde apenas a deflexão radial/ulnar é crítica. Para resolver este problema é necessária uma métrica que seja apenas sensível à deflexão radial/ulnar e não à flexão/extensão. Felizmente, o pulso não permite rotação no eixo próprio do antebraço, o que conveniente permite definir um vector unitário que roda com a mão, e que é colinear ao segmento de recta que atravessa o rádio e a ulna quando a mão está na posição neutra (vector de pulso ). O vector de pulso é particularmente útil devido ao facto deste ser invariante quando a mão roda na direcção flexão/extensão sendo apenas sensível à deflexão radial/ulnar. Deste modo, a magnitude da deflexão radial/ulnar (ψ) pode ser determinada a partir do produto interno do vector de pulso e o vector pulso-cotovelo ( ) como indicado na equação (4.40).. 90 (4.40) 38

51 Figura 4.18 Relação entre a mão e Vector de Pulso Para verificar a limitação do apoio para o cotoveloo (3) basta para p isso utilizar a coordenada X de J 3 dada pela equação (4. 16) e comparar com a posição da cadeira +0,1m, e verificar que o ângulo de elevação da ulna dado pela equação (4.17) é maior quee zero Escolha da solução Para escolher uma solução entre as várias soluções válidas, é necessárioo aplicar uma métrica que permita quantificar as características que são preferíveis. Quantificar de modo exacto factores comoo o cansaço ou o conforto pode ser complicado, no entanto este capítulo assume que à partida existe uma posição que maximiza o conforto e minimiza o cansaço (posições não necessariamente as mesmas). Em vez de tentar medir o cansaço ou o conforto directamente, pode-se em vez disso medir o desvio dee cada elemento relativoo à posição óptima. Quanto mais distante da zona óptima cadaa elemento estiver, mais penalizado será, ou seja, quanto maior for a métrica menor é a sua preferência (i.e. umm custo). No entanto, não se pode simplesmentee somar o custo dos diferentes elementos, desvios relativos à posição óptima de certos elementos podem ser mais importantes do que outros. A importância relativa de cada elemento é difícil de quantificar, mas pode-se sempre adimensionar os desvios relativos de cada elemento pela sua magnitude máxima de movimentos. Embora este método não permita determinar a posição óptima exacta em termos de conforto e cansaço, é possível graduar as soluções, e pelo menos garantir que entre soluções idênticas à excepção de um elemento, a melhor qualificada é escolhida em primeiro lugar. Como é indicado na bibliografia [15], manter as articulações nos seus extremos por um período alargado de tempo pode causar desconforto ou até dano, e existe e uma posição óptima para manter as articulações por um período alargado. Existem também posições óptimas para os diferentes membros para minimizar o cansaço quando estes operam mecanismos. Foram escolhidos então as seguintes métricas: 1. Desvio angular do ombro relativo à sua posição neutra adimensionado pela amplitude máxima na direcção de deformação. (relacionado com o desconforto sentido no ombro) 2. Desvio angular da mão relativo à sua posição neutraa adimensionado pela amplitude máxima na direcção de deformação. (relacionado com o desconforto sentido na mão) 3. Desvio angular do pé relativoo à sua posição neutraa adimensionado pela amplitude máxima na direcção de deformação. (relacionado com o desconforto sentido no pé) 4. Elevação do antebraço adimensionado por π/4 (relacionado com o esforço de operação do joystick) 5. Metade da elevação do fémurr junto à pélvis adicionado a metade da elevação da tíbia junto ao pé, ambos adimensionados por π/4 (relacionado com o esforço de operação do pedal) Relacionando estes elementos obtém-se a função de custo (4. 41). 39

52 ; ; ,5 4 4 (4.41) Antes de passar ao resultado final, existe um último detalhe que é importante ter em conta, e este é o modo como o joystick é fixado. Existem 3 alternativas distintas: 1. Joystick fixo à cabine 2. Joystick fixo à cadeira 3. Joystick fixo à cadeira mas com posições reguláveis A escolha entre uma destas 3 alternativas depende única e exclusivamente da performance que cada consegue obter. À partida, é de prever que a alternativa 3 seja a melhor solução, visto que esta tem a capacidade de emular as características da primeira solução através da escolha de uma regulação do joystick inversa ao da cadeira, emular as características da segunda escolhendo uma regulação fixa, e ainda permite optimizar a posição do joystick de forma individual para cada pessoa. Embora não seja à partida óbvio, prevê-se que a segunda melhor alternativa é a número 1, pois conforme a estatura do individuo vai aumentando é de prever que este precise de uma regulação da cadeira mais distante, ao regular a cadeira para a posição mais distante o joystick fica também mais distante, o que fornece mais espaço para acomodar um braço maior, situação que já não acontece para a alternativa 2. Com um programa auxiliar (semelhante ao algoritmo de busca mas que apenas varia o braço), verificou-se que para a alternativa do joystick regulável, apenas as regulações entre os 0,30m e os 0,35m (relativos à posição da cadeira) são utilizados, pelo que se decidiu atribuir 6 posições espaçadas de 0,01m para regulação do joystick entre estes valores. Tabela 4.6 Regulação para a alternativa do Joystick ajustável Posição Distância [m] 0,30 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 O algoritmo de busca funciona segundo o fluxograma descrito no Anexo A O algoritmo de busca tem uma resolução de 0,005m (5mm) para a posição dos pedais e joystick, e nesta situação obteve-se os resultados indicados na Tabela 4.7. Tabela 4.7 Resultados do algoritmo de busca. 4 Alternativa Joystick X [m] Joystick Z [m] Pedais X [m] Pedais Z [m] Custo 1 0,24 0,72 0,685 0,245 6, ,28 0,72 0,685 0,245 7,622 3 NA 0,72 0,685 0,245 4,952 Assim, a solução a adoptar é a do joystick regulável a uma altura relativa de 0,72m com os pedais na posição (0,685; 0; 24,5)m. Finalmente, utilizando a solução adoptada, utilizou-se um algoritmo de busca (modificado do primeiro), para procurar a regulação óptima da cadeira e do joystick para as diferentes estaturas, obtendo-se as regulações indicadas na Tabela 4.8. Tabela 4.8 Regulações óptimas do joystick e da cadeira para diferentes estaturas Estatura [m] <1,57 1,57-1,62 1,62-1,66 1,62-1,68 Cadeira X [#] Joystick [#] Estatura [m] 1,68-1,72 1,72-1,74 1,74-1,82 1,82 Cadeira X [#] Joystick [#] Nota: Não se garante operabilidade para estaturas inferiores a 1,52m ou superiores a 1,87m, embora o simulador possa acomodar estaturas fora destes limites. 4 Nota: A posição do joystick para a alternativa 1 é absoluta, para a alternativa 2 é relativa á posição da cadeira 40

53 4.1.7 Resumo do subcapítulo 4.1 e montagem do equipamento O subcapítulo 4.1 é extenso relativamente à variadade de conteúdos abordados, de modo a facilitar a compreensão de como todos estes factores se relacionam segue-se um pequeno resumo do processo que leva à solução final. 1. Introduzir no programa: a. Coeficientes anatómicos descritos na Tabela 4.3, b. As 3 estaturas a analisar (1,52m; 1,69m; 1;87m) c. Limites máximos das articulações críticas descritas na Tabela Introduzir no programa os elementos descritivos da geometria do equipamento: a. Altura máxima da cabine (1,5m) b. Posição da barra de guarda do monitor (0,57m; 0; 0,5m) c. Distância entre o pedal esquerdo e o direito (0,31m), d. Deslocação máxima dos pedais ( 0,06m; +0,06m) e. Ângulos máximos e mínimos dos pedais (30 ; 15 ) f. Posições de regulação da cadeira descritos na Tabela 4.5 g. Ângulo do apoio para as costas da cadeira (13 ) h. Posição do apoio para o cotovelo relativo à cadeira (0; 0,285m; 0,22m) i. Limite do apoio para o cotovelo relativo à cadeira (0,1m) j. Ângulo neutro do joystick (20 ) k. Ângulo máximo de deflexão do joystick (20 ) l. Diferença de posição do joystick deflectido (H: 0,033m; V: 0,005m). 3. Introduzir no programa as regulações possíveis para o joystick descritas na Tabela O programa ao correr segue o fluxograma descrito no Anexo A. É de notar que as seguintes equações são importantes: a. (4.1), converte estaturas em dimensões b. (4.2), (4.3) e (4.14) permitem calcular a posição de J 7 para além dos ângulos de elevação dos membros inferiores c. (4.15), permite definir a posição de J 4 d. (4.16), (4.17) e (4.18) permitem definir a posição de J 3 e. A comparação entre D b e a distância entre J 3 e o ponto crítico do cotovelo permite saber se é o limite inferior de abdução ou de elevação que deve ser aplicado f. (4.19), (4.21), (4.22), (4.24) e a transformação do vector D om /2. cos(α 3 ); 0;sen(α 3 )] pela equação (4.20), permitem saber a posição J 2 para o caso em que o limite inferior de elevação é válido g. (4.19), (4.26), (4.27), (4.28) e a transformação do vector D om /2.[0; cos(α 3 );sen(α 3 )] pela equação (4.25), permitem saber a posição J 2 para o caso em que o limite inferior de abdução é válido h. (4.29), permite verificar o ângulo de deflexão do pé i. (4.32), (4.33), (4.34), (4.35), (4.36), (4.37) e (4.38), permitem verificar se há colisão entre a perna e a barra de guarda do monitor j. (4.39a) ou (4.39b) (limite inferior de elevação ou abdução válido), permitem verificar a deflexão do ombro k. (4.40), permite determinar a deflexão do pulso l. (4.41), permite calcular o custo da solução 5. Depois de obter os resultados da posição óptima para os pedais e joystick (Tabela 4.7) é reintroduzido num segundo algoritmo de busca (modificado do primeiro) que procura o ajuste da cadeira e joystick óptimos para cada estatura (Tabela 4.8) Após obter estes resultados procedeu-se à instalação do equipamento. Para fixar os ecrãs instalaram-se vigas ocas de secção rectangular como indicado na Figura 4.19 (nota para mais detalhes sobre os ecrãs ver subcapítulo 4.2). 41

54 Figura 4.19 Fixação dos suportes do monitor (vermelho fixação entre barra e cabine, verde união entre barras) Figura 4.20 Suporte do ecrã central Os monitores já vêm com fixações universais como se pode verificar na Figura 4.21 Figura 4.21 Detalhe da fixação universal Nota: Exemplificado o do monitor temporário Figura 4.22 Monitores montados Ambas as barras horizontais foram colocadas à altura que as fixações devem ter de modo a que o ecrã frontal fique o mais alto possível sem interferência com a cabine. No entanto, como se pode ver na Figura 4.22, o monitor frontal ao piloto encontra-se demasiado baixo. Isto acontece porque o suporte foi feito à medida do monitor táctil, mas como não existe actualmente um monitor táctil para o piloto decidiu-se instalar um monitor não táctil já existente no laboratório. Embora o monitor não táctil disponha das mesmas fixações universais, estas encontram-se a uma altura superior no ecrã, isto acoplado com o facto de o monitor ser mais pequeno, faz com este esteja a uma altura mais baixa do que é suposto. No entanto, espera-se que esta seja uma situação temporária. A intersecção entre as barras verticais e horizontais impede que a estrutura tenha uma deformação notável. Adicionalmente, para o ecrã central (como é evidenciado na Figura 4.20) existe uma chapa dobrada em forma de U que serve para deslocar o apoio do monitor para uma posição mais próxima do piloto (de acordo com a posição determinada na análise preliminar). Esta chapa serve também para proporcionar uma inclinação ao monitor de modo a facilitar a sua visualização. O monitor deve ter uma inclinação aproximada de 20, que pode ser determinada através da estimação da distância ao monitor e a altura média dos olhos em relação ao topo do monitor ( ). Coincidentemente, esta inclinação é a mesma inclinação que os painéis que existiam anteriormente tinham. Era suposto que uma solução idêntica fosse adoptada para o monitor em frente ao piloto, no entanto porque o monitor existente é temporário, este monitor ficou temporariamente montado a direito. 42

55 Para os pedais, criou-se um suporte em madeira de modo a que estes tenham a altura correcta (Figura 4.23). Figura 4.23 Suporte dos pedais (antes e depois da pintura) Figura 4.24 Suporte do joystick (antes e depois da pintura) Para o joystick utilizou-se uma chapa dobrada em U reforçada com restos das barras utilizadas para fixar os ecrãs, de modo a evitar a flexão da extremidade com o tempo. Como se pode ver na Figura 4.24, a chapa tem 2 rasgos e 6 furos de cada lado destinados ao acoplamento com o descanso do braço, os rasgos permitem o deslizamento do suporte para poder escolher as várias regulações enquanto os furos permitem bloquear o suporte numa regulação seleccionada através da introdução de um parafuso. A extremidade do suporte tem um bloco de madeira para fazer subir o joystick para a altura correcta, por cima do bloco de madeira existe uma base em alumínio. O joystick está geometricamente constrangido entre tiras de alumínio, a base de alumínio e os parafusos num sistema semelhante a uma garra. Entre as peças metálicas e o joystick foi colocada uma espuma compactada, não só para aumentar a fricção de superfície, como também permitem manter o joystick direito apesar da irregularidade dos parafusos que fixam o conjunto base, madeira e suporte. Estes permitem também manter a integridade do joystick necessário para a poder usufruir da garantia do equipamento em caso de avaria. Para chamar menos a atenção do aspecto artesanal das estruturas, pintou-se os suportes de preto mate, tendo o cuidado em deixar marcado na pintura a numeração corresponde a cada regulação possível. Embora o chão deva ser posteriormente reparado, também foram pintadas as numerações correspondentes aos ajustes possíveis da cadeira (Figura 4.25) 43

56 Figura 4.25 Marcação das regulações possíveis da cadeira Figura 4.26 Régua de parede com as regulações óptimas em função da estatura Nota: à esquerda estão as regulações da cadeira, à direita as regulações do joystick Foi também colocado nas instalações uma régua de parede com as regulações óptimas em função da estatura, isto permite descobrir de forma prática as regulações indicadas para qualquer piloto que pretenda utilizar o simulador. O potencial piloto deve utilizar sapatos lisos (não pode usar saltos altos ou sola alta) e encostar as costas à parede com uma postura vertical correcta e traçar uma horizontal imaginária à altura do ponto mais alto junto ao escalpe, as zonas por onde esta recta horizontal imaginária passa, correspondem às regulações apropriadas. Deve então ser lido o número correspondente para a cadeira e joystick e regular o equipamento de acordo com essas indicações. 4.2 Interface com o software de simulação A adaptação da interface entre o piloto e a simulação não termina com o equipamento mecânico mas envolve também a operação de elementos virtuais. Este subcapítulo aborda o modo de funcionamento do software de simulação e a sua relação com o piloto Interface entre comandos e o software Todos os controlos adquiridos vêm com uma interface USB que os torna simples de instalar, e à excepção ecrã táctil não necessitam de controladores para operar com o sistema operativo. O Windows XP vem equipado com um programa que pode ser acedido através do painel de controlo ( controladores de jogo, seleccionar controlo e ir a propriedades ) que permite testar o funcionamento dos diversos controlos. 44

57 Figura 4.27 Mesa de teste do joystick. Nota: à esquerda estão combinados os eixos principais numa caixa, à direita está o outro eixo, a pressão dos botões são indicados a amarelo na figura Figura 4.28 Mesa de teste dos pedais. Nota: o eixo principal está indicado à direita, os outros dois eixos estão combinados numa única caixa à esquerda. Devido à natureza do ecrã táctil, este funciona de forma diferente dos outros controlos, em vez de ser um dispositivo com outputs próprios, este emula o funcionamento de um rato. Para proceder à calibração do ecrã táctil é necessário ter em consideração que existe uma diferença de profundidade entre o sensor táctil e a superfície da imagem, pois esta pequena diferença causa paralaxe entre o ponto de contacto e a imagem no ecrã. Figura 4.29 Medição da paralaxe (visto da esquerda, frente e direita) Nas medições efectuadas, verificou-se que esta diferença de profundidade causa uma diferença de 2mm entre a posição do ponto de contacto e a imagem entre os ângulos a 0 e 45 da normal com a superfície do ecrã. Como o ecrã central deve ser operado tanto pelo piloto como pelo co-piloto, a calibração deve ser feita de modo a minimizar a inexactidão causada pela paralaxe para ambos. Deste modo, o processo de calibração deve ser realizado com um ponteiro enquanto o calibrador se encontra de frente e alinhado com a normal de superfície no ponto de calibração. Estes erros acumulados entre a calibração e a inexactidão causada pela paralaxe terão consequências no desenho dos instrumentos. Depois do equipamento estar integrado com o sistema operativo, deve-se passar agora à integração com o software de simulação. Devido ao modo de funcionamento do ecrã táctil, o detalhe da interface com o software de simulação só será abordado no subcapítulo Para os controlos funcionarem adequadamente com o programa X-Plane é necessário atribuir funções aos eixos/botões e proceder à calibração do equipamento. A calibração do equipamento tem como objectivo informar o software dos limites de variação e identificar qual dos níveis corresponde ao ponto neutro. Deve-se ir ao menu Settings>Joystick, Keys & Equipment e aceder ao separador Axis. Inicialmente deve-se manter todos os eixos no ponto neutro e pressionar no botão Calibrate e de seguida mover todos os eixos até aos seus limites superiores e inferiores. Após esta operação deve-se retornar todos os eixos ao ponto neutro, e deve-se então operar um eixo de cada vez para 45

58 saber qual é o indicador a que corresponde a cada eixo e atribuir a função desejada para esse eixo. Após a atribuição das funções aos eixos, deve-se verificar se operação desse eixo numa dada direcção corresponde à variação da função atribuída na direcção certa. Ex. Quando o eixo principal Y do joystick é empurrado para a frente, o nariz da aeronave pica para baixo? Caso os eixos não estejam atribuídos na direcção certa deverá escolher a opção reverse no separador Axis. Tabela 4.9 Atribuição actual das funções aos eixos Eixo Função reverse? Direcção correcta Pedais Principal yaw Não Aeronave deve desviar na direcção do pedal que se encontra à frente Pedais Pedal Esquerdo left toe brake Não Aeronave deve travar do lado esquerdo quando o pedal está no fundo Pedais Pedal Direito right toe brake Não Aeronave deve travar do lado direito quando o pedal está no fundo Joystick Principal Y pitch Não Aeronave deve descer o nariz quando o joystick é empurrado para a frente Joystick Principal X roll Não Aeronave deve rolar na direcção de deflexão do joystick Joystick Throttle (temporário) throttle Não A potência dos motores deve aumentar com o controlo para a frente Para terminar a calibração deve-se ir ao menu Settings>Joystick, Keys & Equipment e escolher o separador Center, com todos os eixos na posição neutra deve-se carregar no notão CENTER YOKE AND PEDALS AND HIT THIS BUTTON, esta função permite ajustar qual o centro do eixos de modo a que não haja desvios quando os controlos estão na posição neutra Integração do ecrã táctil Para completar o controlo dos elementos da simulação por parte do piloto, é necessário implementar os instrumentos virtuais através de ecrã táctil e apresentar a informação do estado da aeronave (como por exemplo a atitude, velocidade aérea, altímetro, etc.) que seria de esperar numa aeronave real. No início do trabalho existiam 2 filosofias sobre o modo como os instrumentos virtuais deveriam ser implementados, uma em que os instrumentos teriam um software dedicado independente do software de simulação e a outra em que os instrumentos seriam desenvolvidos por cima do software de simulação com a assistência das ferramentas disponíveis. Para escolher uma filosofia ponderou-se os seus pró e contras. Software dedicado o Prós Permite um controlo independente do X-Plane (preservando uma estrutura modular) Fácil de implementar soluções pouco comuns o Contras Difícil e demoroso de desenvolver Necessita da programação de um tradutor de dados para o X-Plane Implementação sobre o X-Plane o Prós Fácil e rápido de desenvolver o Contras Sacrifica modularidade 46

59 O critério de escolha que se considerou ser mais importante foi a dificuldade do desenvolvimento dos instrumentos. Para além da necessidade de desenvolver o ambiente gráfico dos instrumentos, também seria necessário desenvolver ferramentas para posteriormente se poder desenhar diferentes cockpits sem ter que refazer o programa de raiz. Embora pudéssemos ter a ilusão, de que uma vez produzidos os instrumentos num software dedicado, que este poderia funcionar para qualquer outro software de simulação que possa ser adoptado no futuro, é de relembrar que existe a necessidade de implementar um tradutor de dados de modo a que os diferentes módulos possam comunicar através da rede. Infelizmente, a necessidade de implementar este tradutor para cada software de simulação a adoptar implica uma carga de trabalho superior a simplesmente deitar todo o trabalho fora (à excepção do desenhos) e desenvolver os instrumentos sobre o próprio software de simulação a partir do zero. É necessário agora tomar em consideração as características do equipamento disponível de modo a tirar partido de todos os recursos. Como mencionado no capítulo 2, o SVI já dispõe de alguns computadores, estes computadores possuem placas gráficas ATI Radeon X550 que embora tenham 3 saídas de vídeo apenas 2 podem ser utilizadas em simultâneo. O SVI também dispõe de monitores não tácteis de 17 com resolução nativa (Largura e Altura, W H). Devido ao volume de instrumentos que se espera implementar, decidiu-se adoptar uma configuração com dois monitores (dual monitor) no computador responsável pela simulação. Devido à aquisição de apenas um ecrã táctil com resolução nativa , decidiu-se implementar de forma temporária a solução dual monitor, conjugando um monitor táctil com um não táctil, onde os instrumentos que não recebem comandos do piloto (apenas enviam informação para o piloto, como por exemplo o horizonte artificial, altímetro) seriam implementados no ecrã não táctil, e os instrumentos que recebem comandos do piloto (ex. piloto automático, rádio) seriam implementados no ecrã táctil. Para futuras expansões dos painéis do cockpit será necessária a conjugação de computadores diferentes em rede. Por conveniência, decidiu-se que o ecrã primário seria atribuído ao ecrã táctil devido ao facto de o menu de configurações no X-Plane aparecer exclusivamente no ecrã primário, permitindo assim a operação e configuração do ambiente de simulação na ausência de um rato físico. Para activar a funcionalidade dual monitor no sistema operativo, na ferramenta de gestão da resolução de ecrã (pode ser acedido clicando no botão direito do rato sobre uma área vazia do ambiente de trabalho e clicar em Preferências), seleccionar o segundo ecrã e escolher a opção Expandir o ambiente trabalho do Windows até este monitor. de modo a poder apresentar informação diferente em cada monitor (não esquecer de aplicar as alterações). Por falta de um motivo particular, decidiu-se manter a disposição horizontal definida por defeito no sistema operativo Uma resolução de para cada monitor equivale a uma razão de aspecto (AR) 5/4. A definição de razão de aspecto é dada pela equação (4.42) (4.42) Isto na configuração dual monitor seleccionada perfaz uma resolução total de (razão de aspecto 5/2) da área de trabalho. Por defeito, o X-Plane está configurado para funcionar em modo ecrã inteiro com 1 monitor através de um intermediário gráfico (DirectX ou OpenGL), para activar o modo dual monitor podíamos ser levados a pensar que seleccionar draw IOS on second monitor on same vídeo card no menu Rendering options seria a opção correcta, embora de facto o X-Plane fique a trabalhar com ambos os monitores, o monitor secundário fica com a função de apresentar a estação do instrutor em vez do painel de instrumentos (algo que de momento não interessa). A forma correcta de utilizar o modo dual monitor no X-Plane é mantendo a opção draw IOS on second monitor on same vídeo card desactivada e simplesmente definir a resolução igual à área de trabalho (i.e ). Desta forma, o X-Plane irá mapear a imagem no espaço virtual da área de trabalho como se fosse um ecrã único, que posteriormente, a placa gráfica irá repartir a imagem pelos dois monitores. 47

60 Figura 4.30 Imagem mapeada no espaço virtual da área á de trabalho Nota: o modelo da aeronave não é suposto ser visto durante a simulação, serve apenas para ilustração Figura 4.31 Figura 4.30 mapeada no monitor 1 Figura 4.32 Figura 4.30 mapeada no monitor Desenho dos instrumentoss virtuais Para implementar os instrumentos virtuais recorreu-se a umaa prática conhecida por modding, que consiste na modificação de conteúdoo predefinido de um programa de forma independente do seu desenvolvimento oficial.. Técnicas de modding que funcionam, variamm de software para software, e não existe uma técnica específica que funcionee para todos os casos. Muito frequentemente é necessário fazer engenharia inversa a partir de informação incompleta sobre funções parcialmente obscuras. Felizmente, o software X-Plane 9 vem comm algum suporte para modding e disponibiliza algumas ferramentas, assim como algum suporte online (embora claramente insuficiente), no entanto é ainda necessário algumaa especulação e tentativa e erro para atingir os efeitos desejados. Muitoo do conteúdo presente neste subcapítulo baseia-se na minha experiência pessoal das técnicass mencionadas e existem poucas referências externas sobre o assunto, pelo que é aconselhável uma abordagem prática dos conteúdos, para não só verificar que as técnicas de facto funcionam, mas também para facilitar a compreensão das mesmas. Como desenvolvimento inicial, decidiu-se desenvolver os instrumentoss sobre uma versão modificada do modelo do Boeing (para utilizar noutros modelos m basta importar o cockpit destee modelo), e os primeiros pontos notáveis é que é possível ver o cenário exterior através do cockpit, e o cockpit virtual predefinido não tem a dimensão correcta para o tamanho do monitor. Não é uma situação desejável conseguir ver o cenário exterior no painel destinado aos instrumentos (montado no interior do cockpit), pelo que é importante redesenhar o cockpit. Regra geral, é um bom princípio assumir que as artes gráficas g nãoo estão solidamente codificadas na aplicação, porque caso contrário tornaria o desenvolvimento de uma qualquer aplicação moderna impraticável. Em vezz disso, é prática recorrente na indústria empacotar as 48

61 artes gráficas em ficheiros de dados que devem ser interpretados pela aplicação. Também é recorrente que todos os conteúdos do software não estejam definidos nos estágios iniciais de desenvolvimento, o que geralmente leva à adopção de filosofias de programação mais genérica de modo a permitir uma fácil introdução de novos conteúdos no futuro. Em teoria, se o método de descodificação de dados for conhecido, é possível alterar o aspecto, funcionalidade e conteúdo da forma que convém (dentro de certos limites), e colocá-los a funcionar como se fossem parte do conteúdo original. O X-Plane não é diferente neste aspecto, aliás como a prática de modding é encorajada no caso do X-Plane, esta função é facilitada com os conteúdos gráficos dispostos sem a necessidade de descodificação para além dos formatos usuais (.png,.bmp), além disso, fornece ferramentas que assistem ao desenvolvimento de novos conteúdos. Comece por copiar a directória do Boeing localizada em <raiz_x- Plane>\Aircrafts\Heavy Metal para <raiz_x-plane>\aircraft\svi de modo a ser utilizado como base. De modo a ajustar o painel de instrumento aos ecrãs, comece por editar o ficheiro Panel_Airliner.png localizado na directoria <raiz_aeronave>\cockpit\-panels-. O X-Plane, na configuração actual, ajusta o tamanho do painel ampliando-o ou reduzindo-o de modo a que este tenha a largura da área de trabalho ou 1,5 a altura da área de trabalho (dependendo de qual produz a imagem mais pequena), de seguida alinha a imagem horizontalmente ao centro e verticalmente ao fundo. Estes 50% extra na altura do painel foram desenhados para acomodar instrumentos adicionais que se tornariam visíveis através da pressão de um botão, e pretende simular o acto do piloto olhar para baixo. Caso esta proporção não seja respeitada o painel de instrumentos ficaria demasiado curto, ou em altura ou em largura permitindo a observação do cenário exterior através do painel, situação que não é desejável. Figura 4.33 Demonstração do Painel com razão de aspecto igual ao da área de trabalho Figura 4.34 Demonstração do painel com razão de aspecto inferior ao da área de trabalho O site da internet oficial de assistência ao modding para o X-Plane indica que estas proporções devem ser sempre observadas, no entanto testes com configurações dual monitor verticais revelaram que isto de facto não é verdade (permite proporções do painel igual ás do monitor sem problemas em modo vertical). Fontes na internet podem ser úteis para obter alguma informação do modo de funcionamento de alguns aspectos que são pouco familiares, mas é preciso relembrar que estas fontes não são rigorosas e que muitas vezes podem conter erros e más práticas, este tipo de informação deve ser tomada com cuidado sem prescindir de confirmação prática. Contudo, para uma configuração vertical, e na situação utilizada esta relação verifica-se, pode-se calcular a razão de aspecto necessária para a imagem do painel pela equação (4.42). Ou seja: 1, , Podíamos ser facilmente levados a concluir que precisaríamos de criar uma imagem com , no entanto isto não deve acontecer por duas razões: 1. O X-Plane tem um limite máximo de 2048px (pixéis) 2. Quanto maior for o painel menor será o tamanho relativo dos restantes instrumentos (pequeno o suficiente para ser indesejado). Quem já trabalhou com o software Plane-Maker do X-Plane poderá perguntar-se porque motivo o tamanho relativo dos outros instrumentos é um ponto crítico na definição do tamanho do painel, visto que os instrumentos podem ser independentemente ampliados ou reduzidos. Isto deve-se ao facto da função de ampliação não estar correctamente implementada para todos os instrumentos do X-Plane. Embora de facto esta função não apresente qualquer problema para a 49

62 maioria dos instrumentos, o conteúdo dinâmico, comoo dígitos desenhados emm pós processamento, não alinham correctamente causando uma sobreposição indesejada e ilegibilidade dos mesmos. Decidiu-se que uma resolução de paraa a imagem Panel_Airliner.png proporciona um tamanho razoável (pode ser editado com o programa paint disponível d por defeito no Windows XP). No entanto, o redimensionamento do painel não termina aqui, a e se tentarmos correr o X- Plane nestas condições, obtém-se a seguinte mensagem de erroo Your panel overlay must be the same size as the panel itselff (p_init.cpp line387), isto porque oss ficheiros Panel_Airliner-1.png, Panel_Airliner-2.png e Panel_Airlin ner-3.png devem terr o mesmo tamanho que Panel_Airliner.png (i.e ). Estes ficheiros em particular são Overlays (sobreposições; imagens que se sobrepõem por cima dee outras para formar uma imagem compósita) utilizados para simular a iluminação em diferentes áreas do painel, onde o Panel_Airliner-1.png faz o mapeamento da insensibilidade à luz solar e os restantes simulam a sensibilidade a luzes do cockpit. É aconselhado que estes overlays tenham uma cor sólida cujo código #RGBA 5 (Red, Green, Blue and Alpha; Vermelho, Verde,, Azul e Alfa) é #FF7F7F7F (cinza), #FFFFFFFF (branco), #FFFFFFFF (branco) respectivamente para o Panel_Airliner-1.png, uniforme em todo o painel. Para facilitar o processo de desenho o dos instrumentos, é conveniente desenhar marcadores para servir de guia ao que aparece ou não aparece no ecrã. Nãoo esquecendo que o tamanho da Panel_Airliner-2.png e Panel_Airliner-3.png, de modo a obter uma iluminação imagem do painel é reduzido de paraa , a resolução da imagem que corresponde a cada ecrã tem as dimensões É também aconselhável colocar um marcador horizontal a 9px a contar de cima que corresponde a zona onde o piloto não deve clicar, pois esta área está reservadaa aos menuss de opções. Não esquecer de remover estes marcadores na versão final Figura 4.35 Marcação do painel O X-Plane providencia vários instrumentos pré construídos que podem ser usados, contudo a maior parte das operações é feita à basee de botões rotativos operados através do rato. Embora os botões pareçam rotativos, não existe nenhuma rotação efectiva, em vez disso quando clicar do lado direito ou esquerdo do botão a textura (imagem) original do botão é alterada para uma outra textura que se parece com o primeiro botão mas rodado de um certo ânguloo para a esquerda ou para a direita. 5 Nota: #RGBA expressa em formato hexadecimal onde o primeiro canal é o Alfa A seguido pelos canais R, G e B [16] 50

63 Figura 4.36 Área de acção do botão rotativo Embora não exista um inconveniente funcional, o aspecto influência a espectativa de como este botão deve ser operado. Não é incomum observar colegas a executarem movimentos circulares sobre os botões como se este fosse capaz de reconhecer gestos. Não se pretende de forma alguma despender tempo em formar pilotos sobre a forma correcta de operar os botões, pelo que é importante alterar o seu aspecto de modo a que a interface seja intuitiva de operar só de olhar para estes. Neste ponto é conveniente relembrar os erros causados pela calibração do ecrã táctil e da paralaxe referidos no subcapítulo 4.2.1, pois estes erros podem levar o operador a não conseguir interagir com o instrumento ou a interagir incorrectamente, isto porque a posição onde o operador julga estar a tocar não corresponde à posição que é mapeada no espaço virtual. Assumindo que o operador tende a carregar num botão no seu centro, que esta operação tem uma imprecisão de 2mm e que o erro de calibração causa um desvio de 1mm, então o botão deve ter no mínimo uma largura de acção de 1cm mesmo que a imagem do botão tenha um tamanho inferior. Quando possível, aconselha-se que o botão tenha um raio de acção 2mm superior ao da própria imagem. Para a descrição deste trabalho não é necessário fazer uma lista extensiva de como todos os instrumentos utilizados foram alterados, basta apenas mencionar alguns exemplos para clarificar as técnicas utilizadas. Os outros instrumentos não mencionados utilizam uma combinação destas técnicas. Exemplo 1, Interruptor binário: Substituição de Textura Figura 4.37 Interruptor binário antes e depois da modificação O Interruptor binário é um botão com 2 estados que preserva o seu estado depois de operado. No exemplo da Figura 4.37, o interruptor para ligar e desligar os aviónicos (na prática os indicadores com electrónica digital) tem o particular problema de o seu estado actual não ser claro. Para transformar o primeiro caso no segundo basta aplicar uma substituição de textura. Que consiste apenas na substituição da textura que é desenhada no ecrã por outra sem mudar qualquer funcionalidade. Para alterar uma textura dos instrumentos padrão, pode-se simplesmente editar as texturas originais localizadas em <raiz_x-plane>\ressources\bitmaps\cockpit, que no caso específico do interruptor de aviónicos são 2 imagens but_avionics.png e but_avionics-1.png localizados em <raiz_x-plane>\ressources\bitmaps\cockpit\buttons. Mas isto é um erro típico que não se deve cometer porque acaba por destruir a textura original e alterar todas as instâncias deste interruptor em todos os modelos de aeronaves. Em vez disso deve copiar estes ficheiros para <raiz_aeronave>\cockpit\buttons e editá-los nesta directoria, assim este recurso pertence apenas à aeronave que se quer modificar. Desde que os ficheiros estejam na mesma localização relativa a 51

64 <raiz_aeronave> >\cockpit\ como em < <raiz_x-plane>\ressources\bitmaps\ \cockpit\, o X-Plane procura em primeiro lugar os recursos necessários na directoriaa associada à aeronave,, só caso estess não existam é que vai então procurá-los na directoria de recursos partilhados. Para editar estes ficheiros, é preciso ter em conta que estãoo no formatoo PNG [16] (Portable Network Graphics) e que não devem ser editados no simples Paint, pois o programa Paint não trabalha com o canal alfa responsável r pelo nível de transparência. É aconselhado o uso de programas como o Photoshop ou outros de licença livre como o GIMP. G O ficheiro but_avionics.png tem umaa resolução de e serve para conter os elementos fixos que não se alteram com a alteraçãoo do estado do interruptor. Já o but_avionics-1. png tem uma resolução (o dobro da largura do ficheiro anterior) e serve para conter os elementos que variam com o estado do interruptor. Quando o interruptor está no estadoo desligado apenas a primeira metade da textura é sobrepostaa à textura but_avionics.png, quando este passa para o estado ligado o X-Plane passa imediatamente a sobrepor a segunda parte daa imagem em vez da primeira, dando a sensação que este interruptor se moveu. Figura 4.38 Constituição da textura but_avionics-1.png Para interruptores com n estados com o ficheiro base <nome_text tura>.png, a textura <nome_textura>-1.png tem n vezes a largura do ficheiro basee e só é visível a n-ésima parte do ficheiro quando o interruptor está no n-ésimo estado. Exemplo 2, Reóstatos genéricos: Variáveis Internass Figura 4.39 Reóstato linear, antes e depois da modificação m Os reóstatos servem paraa modificar uma variável gradualmente entre determinados valores. Embora não seja óbvio na Figura 4.39, este é o exemplo de selector de velocidade do piloto automático. Este botão rotativo tem o mesmo modo de funcionamento que o do exemplo da Figura A direcção em que pretende rodar é definida pela posição horizontal, mas pretende-se transformar em dois botões cuja definição do sentido em quee se pretende mudar a variável dependa da posição vertical. Estes dois tipos de controlos são funcionalmente diferentes, um não pode ser transformado no outro por uma simples substituição de textura, também não existe nenhum botão predefinido que seja funcionalmentee semelhante ao que se quer implementar. Felizmente, o X-Plane está preparado para tais casos e dispõe de d uma colecção de instrumentos genéricos programáveis. O instrumento que interessa neste caso é o gen_rheostat_one_way, i.e. um reóstato de sentido único. A diferença entre um reóstato de sentido único e um u reóstato convencional é que o reóstato convencional tem a área de acção dividida em 2 e permite aumentar ou diminuir a variável, enquanto no de sentido único a área de acção é única e só permite alterar a variável numa única direcção (só aumentar ou só diminuir). 52

65 Neste caso não é necessário fazer a substituição de textura para obter o aspecto pretendido, tal nem sequer é aconselhado devido aoo facto de muito provavelmente vários destes botões vão ser utilizados com texturas diferentes. Deve-se à mesma criar uma textura, mas desta vez pode dar o nome que quiser (desdee que este ainda não exista, é aconselhado a darr um nome intuitivo) e colocando-a em <raiz_aeronave>\cockpit\generic\. Então nas propriedadesp s do botão no campo Image, basta escrever o nome da imagem que estee irá utilizá-loo automaticamente. No entanto, a área de interacção não corresponde comm a área da textura. Para ajustar o tamanho da área de interacção, no campo Click Radius deve-se introduzir o valor da metade da largura da textura em pixéis. Caso o botão não seja quadrado mas rectangular, pode-see ajustar a diferença em altura em comparação com a largura através do campo Y difference. Se se tentar clicar neste botão durante a simulação, este faz absolutamente nada, isto porque aindaa não foi especificado qual a variável que deve afectar e como deve afectá-la. Para escolher a variável a afectar nas propriedades do reóstato no campo dataref deve procurar a referência à variável apropriada. Neste exemplo a referencia apropriada é sim/cockpit/autopilot/airspeed. Todas as referências das variáveis foram salvaguardadas num ficheiro.txt juntamente com o pacote de programação de plugins mencionado no subcapítulo Para ajustar como esta variável deve alterar chamo agora atenção para oss campos Click Step e Hold Step. O campo Click Step deve conter a quantidade que deve ser incrementada à variável interna do botão quando este é pressionado uma vez, e o Hold Step quanto é que a variável interna do botão deve ser incrementada por segundo quando o botãoo é mantido premido. NOTA: A variável interna ao botão não é a variável que se pretende modificar. É necessário ligar a variável interna do botão à variável da referência que se pretendee operar, e isso é feito através do menu Key Frames (ou pontos-chave). Se se estiver a editar umm novo reóstato pode-see verificar que existem 2 linhas e 3 colunas. A primeira linha corresponde ao limite mínimo da quantidade que se pretende e a última linha corresponde ao limite máximo. A primeira coluna corresponde à variável de referência que se pretende operar, a segunda coluna correspondec e à variável interna do botãoo e a terceira coluna corresponde à linearidade da progressão da variável. Figura Menu Key Frames Suponha que na primeira coluna (variável a mudar) tem-se 0 como mínimo e 100 como máximo, na segunda coluna (variável interna) tem-se como mínimo 1 e máximo 11. Quando a variável interna for 1, a variável a operarr terá o valor 0. Quando se incrementa a variável interna para 2 a variável a operar passa para 10 porque a diferença entree o ponto-chave 1 e 2 da variável a operar é 10 superior ao da variável interna. Quando a variável interna passar para 111 então a variável a operarr vale 100. Se se tentar incrementarr a variável de 11 para 12, o X-Plane não o permite (pois está fora do intervalo dos pontos chave) retornando imediatamente ao limite mais próximo (o 11). Neste exemplo, quer-se um Click Step de 1, Hold Step 10,, ponto-chave 1 com as variáveis interna e de referência iguais a 110, e o ponto-chave 2 com variáveis interna e de referência iguais a 395. A coluna Curve regra geral é sempre 1 (linear). Para diminuir a variável pode-se introduzir um segundo reóstato com o Click Step e Hold Step negativos. Neste caso pode-se colocar a questão, Comoo é que euu sei quais são os limites das variáveis?. Paraa saber isso, pode simplesmente adicionar o instrumento gen_rolling com a referência à mesma variável que se pretende editar, de seguida pode simplesmente testar os limites através da operação de um instrumento predefinido que respeite esses limites e ler o número no instrumento gen_rolling. 53

66 Exemplo 3, Troca invisível Continuando do exemplo 2, se for mudado o modo da velocidade de nós para número de Mach, observa-se que os botões deixam de funcionar correctamente. Isto deve-se ao facto da regulação em nós ou Mach partilharem a mesma variável, mas os reóstatos genéricos não são sensíveis à mudança deste modo de operação e continuam a mudar a variável como se estivessem a operar em nós. O que era preferível neste caso, é que os reóstatos alterassem a sua regulação com o modo, mas tal não é possível. No entanto, é possível fazer aparecer ou desaparecer instrumentos dependendo de uma variável à escolha através do campo Show If. Neste caso, devem-se ter 2 reóstatos exactamente iguais, à excepção da regulação das variáveis, exactamente na mesma posição e implementar uma troca invisível. Isto é, quando o controlo de velocidade está em modo nós, apenas os reóstatos regulados para nós devem ser visíveis, quando se muda o modo de nós para número de mach, os reóstatos regulados para nós devem desaparecer e aparecer no seu lugar os reóstatos regulados para o número de mach. Porque estas 2 versões de reóstatos têm exactamente o mesmo aspecto e partilham exactamente a mesma posição geométrica, a troca torna-se imperceptível dando a ilusão ao piloto de que está a operar o mesmo conjunto de botões em vez de 2 conjuntos diferentes. Neste exemplo, o Show If indicado é a que contém o campo Equals To, e a variável de controlo é sim/cockpit/autopilot/airspeed_is_mach, e o valor de Equals To deve ser 0 no caso dos botões regulados para nós e 1 para o caso dos botões regulados para número de mach. Exemplo 4, Wrap-around Ao tentar implementar o selector de rumo através de reóstatos, pode deparar-se com um problema em passar dos 360 para os 0, que deve ser feita pelo arco mais curto em vez de ter de reduzir dos 360 até ao 0 pelo arco mais longo. Para resolver esta situação, basta activar a opção Wrap-around que faz com que a variável mude imediatamente para o limite inferior quando o limite superior é violado ou vice-versa. Exemplo 5, Botão compósito Figura 4.41 Ignição da APU antes e depois Este exemplo é um caso extremo onde se converte uma ignição do APU (Auxiliary Power Unit) com três estados num botão com dois estados (pressionado, não pressionado) e ainda tem um indicador de estado embutido. A conversão de um botão com três estados num de 2 estados não é foco deste exemplo, é necessário um botão de shut off que é não mostrado no exemplo, e o estado Start não é permanente (o X-Plane muda-o imediatamente para On quando não está a ser operado). O foco deste exemplo é em como embutir o indicador de estado dentro de um botão. De facto, este botão é uma composição de um gen_trigger com um gen_annun, isto é conjuga vários elementos diferentes para formar aparentemente um elemento único. O gen_trigger serve para activar uma variável binária que desencadeia uma função (neste caso a ignição da APU), o gen_annun muda apenas de textura mediante uma condição (neste caso o APU está ligado) e serve para simular um anunciador. Como o anunciador parece estar à frente do botão, poderíamos ser levados a pensar que este é o caso, mas se isso acontecesse não seria possível opera o botão, pois estando o anunciador à frente ao tentar clicar no botão, estaria de facto a clicar no anunciador que não implementa nenhuma função. De facto, é o botão que está à frente do anunciador, é apenas possível ver o anunciador porque a textura do botão tem um recorte transparente que permite ver o que está por detrás. 54

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